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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。