Щільність людського тіла є важливою характеристикою здоров’я організму, тому корисно знати, як її обчислювати. Більше того, ця величина має принципове значення у деяких видах спорту. Розглянемо докладніше це питання в статті.
Щільність, як фізична величина
У фізиці під густиною розуміють коефіцієнт, що зв’язує в єдине рівність масу і об’єм тіла. Формула для цієї величини має вигляд: ρ = m/V. тобто її можна обчислити, якщо точно знати масу вимірюваного об’єкта і обсяг, який він в просторі займає.
Оскільки маса вимірюється в кілограмах, а обсяг – у кубічних метрах, то одиницями щільності будуть кг/м3 або г/см3.
Середня щільність людського тіла та здоров’я
Перед тим, як перейти до розгляду щільності людини, необхідно нагадати, що наше тіло складається з наступних основних тканин:
- жировий;
- м’язової;
- кісткової.
Кожна з них містить в собі воду. Найменше рідини знаходиться в кістках, потім, в жировій тканині. Найбільше води містять м’язи. Якщо з повної маси людини відняти вагу жирової тканини, то вийде цифра, яку прийнято називати сухою масою тіла.
У 60-ті роки минулого століття в результаті вивчення висушених людських трупів трьох білих людей вчені встановили, що середня щільність жиру у них становила 0,901 г/см3, ця величина для сухої маси виявилася рівною 1,100 г/см3. Тим не менш, більш пізні дослідження показали, що щільність маси сухої насправді варіюється в межах 1,082 г/см3 до 1,113 г/см3.
Про що говорять ці дані? Все просто, чим менше середня щільність людини, тим більше в його тілі міститься жиру, а значить, тим вище ризики виникнення серцево-судинних захворювань.
Конкретна цифра для щільності
Конкретне значення величини щільності, за якою можна сказати, що вона є нормальною, привести важко. Пов’язано це з величезним числом факторів, що впливають на її значення. Тут слід враховувати мінеральний склад кістки, м’язову масу, вагу жирової тканини, значення яких варіюються залежно від віку, статі та індивідуальних особливостей організму.
Тим не менше можна привести деякі дані, зібрані з ряду літературних джерел. Одні з них видають цифру для середньої щільності людського тіла 1070 кг/м3. Інші кажуть, що її мінімальні значення рівні 930-940 кг/м3. Такий розкид значень пов’язаний з одним простим фактом: щільність людини може значно зменшитися, якщо він наповнить свої легені повітрям. Так, щільність людського тіла 1070 кг/м3 говорить про те, що він повністю видихнув повітря з легенів, навпаки, значення 930 кг/м3 виходить при повному вдиху.
Як розраховують щільність людини?
Як було сказано вище, для цього слід виміряти масу і об’єм тіла. З масою не виникає жодних проблем, достатньо лише встати на ваги і відразу ж отримати точне значення в кілограмах. З вимірюванням об’єму справа йде складніше.
Об’єм тіла абсолютно будь-якої складної форми можна точно визначити, якщо занурити його в рідину, наприклад, у воду. Тоді кількість рідини, яку витіснило повністю занурене тіло буде точно одно шуканого показника. Це властивість використовують для визначення обсягу людини, яку садять на спеціальний стілець, просять видихнути вага повітря з легень, а потім занурюють у воду. Вимірявши його вагу під водою, можна отримати відповідну цифру для визначення потрібного показника.
Щільність та плавальна здатність людини
Як вище було зазначено, що якщо людина робить глибокий вдих, то його середня щільність падає нижче 1 г/см3. У свою чергу з закону Архімеда випливає, що якщо середня густина тіла перевищує це значення для рідини, в якій воно знаходиться, то це тіло неминуче буде тонути. Щільність прісної води становить 1 г/см3, тому якщо людина наповнить свої легені повітрям, то він ніколи не потоне. Зауважимо, що морська вода містить велику кількість солей, які підвищують її щільність. У деяких випадках це підвищення перевищує значення 1070 кг/м3, тому людина може лежати в такій воді, не боячись потонути навіть при повному видиху. Яскравим прикладом є Мертве море, щільність води в ньому становить 1240 кг/м3.
Також цікаво питання цього пункту розглянути з точки зору статі людини. Жіночий організм в середньому містить більше жирової тканини, ніж чоловічий. Жир – це відносно нещільна матерія (0,901 г/см3), це означає, що представницям прекрасної статі легше триматися на воді, ніж чоловікам.
Середня щільність чоловіки і жінки: розрахунок
Наведені вище значення вказують, що при видиху, середня щільність людського тіла складає 1070 кг/м3. Однак не вказана ця величина для жінок і чоловіків. У цьому пункті статті спробуємо отримати її для кожного підлоги, грунтуючись на наведених вище цифрах. Також врахуємо, що в здоровому стані процентний вміст жиру в організмі чоловіка становить 15,5%, а для жінки ця цифра дорівнює 22,5% (ці значення є середніми для відповідних нормальних меж).
Отримаємо для початку формулу для середньої щільності. Нехай маса тіла людини становить m кг, тоді маса жиру в ньому буде дорівнює p*m, а суха маса дорівнює (1-p)*m, де p – процентний вміст жирової тканини. Об’єм тіла людини дорівнює сумі обсягів жиру та сухої маси. Враховуючи формулу, наведену на початку статті, отримуємо: V = p*m/ρ1 + (1-p)*m/ρ2, тут ρ1 і ρ2 – щільності для жиру та сухої маси, відповідно. Тепер можна розрахувати середню щільність всього тіла, маємо: ρ = m/(p*m/ρ1 + (1-p)*m/ρ2) = 1/(p/ρ1 + (1-p)/ρ2).
Враховуючи, що ρ1 = 0,901 г/см3 і ρ2 = 1,1 г/см3 (значення наведені вище в статті), то підставляючи дані відсотка жиру для чоловіків і жінок, отримаємо:
- для чоловіків: ρ = 1/(0,155/0,901 + (1-0,155)/1,1) = 1,064 г/см3 або 1064 кг/см3;
- для жінок: ρ = 1/(0,225/0,901 + (1-0,225)/1,1) = 1,048 г/см3 або 1048 кг/см3.
Розраховані значення лежать близько до числа 1070 кг/м3. Кожна людина, знаючи процентний вміст жиру в своєму організмі, може використовувати наведену формулу, щоб розрахувати власну середню густину тіла. Нагадаємо, що ця величина відповідає стану, коли людина зробив максимальний видих.
