Плотность тела человека - что это такое и как ее определить

Дата создания: 2015/04/27

Принимая участие в проекте «Познание и творчество» национальной образовательной программы «Интеллектуально творческий потенциал России», в задачах 1 тура олимпиады по физике мы получили задание: «Предложите способ и по возможности определите объем и плотность вашего тела». После ответа на этот вопрос возникла идея рассмотреть данную проблему подробно. Изучив школьные учебники физики и доступную научную литературу, мы обнаружили около 15 методов определения плотности тела человека, но выбрали из них только три способа, выполнимых в бытовых условиях. Проведя серии измерений этими методами, обнаружили, что каждый раз получаются разные ответы, но близкие к единице. С самого начала было ясно, что плотность тела будет близка к плотности воды, так как в противном случае человек никогда не смог бы плавать. Однако различия в ответах навели на мысль, что плотность тела у каждого человека носит индивидуальный характер. Была поставлена цель: найти эффективные методы измерения плотности тела человека, вычислить её, определить причины различия в плотности тел разных людей и последствия этих отклонений.

Исследовали плотность у воспитанников детского сада №2499 г. Москвы, школьников ГОУ ЦО№1462 и членов их семей. Измерения проводились в бассейне детского сада, в квартирных ваннах и в бочках.

Проведенные нами измерения позволили сделать вывод о том, что плотность тела человека зависит от возраста, пола, телосложения и наследственных признаков. Было также обнаружено, что у людей пенсионного возраста плотность тела меньше, чем у школьников. Этот факт привел нас к ознакомлению с таким заболеванием, как остеопороз. И обнаружилось, что диагностировать наличие этого заболевания можно, но эта процедура достаточно дорогая. Для людей пенсионного возраста очень проблематично тратить большие деньги на эту процедуру, если нет уверенности, что она необходима. Это делает нашу работу актуальной, так как даёт возможность школьникам помочь своим родственникам оценить склонность к этому заболеванию, застать эту болезнь на ранних стадиях или предотвратить лишние траты денег при нормальных значениях плотности.

Плотность тела и всё связанное с этим изучается в седьмом классе. В учебнике физики сказано, что плотность – это физическая величина, которая равна отношению массы тела к его объёму.

Вывод формулы для силы Архимеда приведён как в учебной, так и в научной литературе. Наиболее наглядное изложение приведено в онлайн энциклопедии Эверест:

«Закон Архимеда – закон статики жидкостей и газов, согласно которому на погруженное в жидкость (или газ) тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме тела.

Тот факт, что на погруженное в воду тело действует некая сила, всем хорошо известен: тяжелые тела как бы становятся более легкими – например, наше собственное тело при погружении в ванну. Купаясь в речке или в море, можно легко поднимать и передвигать по дну очень тяжелые камни – такие, которые не удается поднять на суше; то же явление наблюдается, когда по каким-либо причинам выброшенным на берегу оказывается кит – вне водной среды животное не может передвигаться – его вес превосходит возможности его мышечной системы. В то же время легкие тела сопротивляются погружению в воду: чтобы утопить мяч размером с небольшой арбуз требуется и сила, и ловкость; погрузить мяч диаметром полметра скорее всего не удастся. Интуитивно ясно, что ответ на вопрос – почему тело плавает (а другое – тонет), тесно связан с действием жидкости на погруженное в нее тело. Нельзя удовлетвориться ответом, что легкие тела плавают, а тяжелые – тонут: стальная пластинка, конечно, утонет в воде, но если из нее сделать коробочку, то она может плавать; при этом ее вес не изменился. Чтобы понять природу силы, действующей на погруженное тело со стороны жидкости, достаточно рассмотреть простой пример .

Кубик с ребром a погружен в воду, причем и вода, и кубик неподвижны. Известно, что давление в тяжелой жидкости увеличивается пропорционально глубине – очевидно, что более высокий столбик жидкости более сильно давит на основание. Гораздо менее очевидно (или совсем не очевидно), что это давление действует не только вниз, но и в стороны, и вверх с той же интенсивностью – это закон Паскаля.

Если рассмотреть силы, действующие на кубик, то, очевидно, силы, действующие на противоположные боковые грани, равны и противоположно направлены – они стараются сжать кубик, но не могут влиять на его равновесие или движение. Остаются силы, действующие на верхнюю и на нижнюю грани.

За прошедшие века, с развитием науки и техники, появились новые возможности измерения плотности тел и, конкретно, тела человека. В настоящее время существует несколько направлений исследования человеческого тела: антропометрические методы, биофизические методы и методы на основе измерения плотности и объёма тела.

Заинтересовавшие нас методы в научной литературе называются: гидростатическая денситометрия, волюминометрия и воздушная плетизмография.