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当物体浸入水中时，会受到向上的浮力作用。根据阿基米德原理，这个浮力的大小等于物体排开水的重量。浮力的产生是由于水对物体上下表面的压力差造成的，下表面受到的向上压力大于上表面受到的向下压力，形成了净向上的浮力。
人体由不同密度的组织构成。肺部充气时密度最小，约为0.5克每立方厘米；脂肪密度为0.9克每立方厘米，小于水的密度；肌肉密度约1.06克每立方厘米，略大于水；而骨骼密度最大，约2.0克每立方厘米。这些不同密度组织的组合使得人体平均密度接近水的密度1.0克每立方厘米，这就是为什么人能够在水中保持相对平衡的浮沉状态。
肺部是人体密度变化的关键部位。正常呼吸时，潮气量约为500毫升，但深呼吸时可以额外吸入3000毫升空气，总变化量约3.5升。当吸气时，肺部体积显著增大，内部充满密度很小的空气，使得肺部整体密度降低；呼气时，肺部体积缩小，密度相应增加。这种体积变化直接影响人体的整体密度分布。
让我们通过具体计算来量化这个变化。假设一个70公斤的成年人，人体总体积约70升。当深吸气时，肺部增加3升空气，人体总体积变为73升，密度降至0.96克每立方厘米，小于水的密度，因此会上浮。当完全呼气时，人体体积减少到67升，密度增加到1.04克每立方厘米，大于水的密度，因此会下沉。这个0.08克每立方厘米的密度差异就是呼气导致下沉的根本原因。
浮沉的临界点就是人体密度等于水密度的时刻。当人体密度小于1.0克每立方厘米时会上浮，大于1.0时会下沉。吸气时人体密度降至0.96，明显小于水的密度，因此会上浮到水面。而呼气时密度增加到1.04，超过了临界值，重力大于浮力，人体就会下沉。这个临界点的跨越解释了为什么游泳时呼气会导致身体下沉的现象。