人体上的力学知识

人体的平均密度约为0.93×103 kg/m3，小于水的密度1×103 kg/m3.从理论上讲，人在水中是漂浮的.溺水的人所以会下沉，一是怕水的心理作用使头部浸没在水中，既灌水又引起窒息；二是身上附着物使得人体受到的重力大于浮力而下沉.

人的皮肤由表皮、真皮和皮下脂肪三部分组成.皮下脂肪层就好像是人体表面覆盖的一层软垫，有很好的弹性，当人体受到碰撞时，有缓冲作用，可以防止内脏和骨胳受到外界的直接侵害.

人的手上脚上都布满了纹，这些纹起了增大摩擦力的作用.人拿东西靠的是手和物体间的摩擦力，而手纹则是为了增大在拿东西时手指与物体间的摩擦.脚纹是为了增大脚与鞋（或地面）之间的摩擦.

人的牙齿表面看形状各异，实质是有明确的分工和作用.门牙长得扁扁的，宽宽的，像一把菜刀，是专门用来切断食物的.一般成年男子用门牙咬切东西时，可产生约150 N的力.尖牙又叫犬牙，嘴角两边各有一对，像钩子一样，也能产生很大的压强，它的功能主要是撕碎食物.磨牙又叫臼齿，它长得特别粗壮，圆圆的，上面还有些凹槽，像磨子一样，它靠压强和摩擦把食物嚼碎，磨细，用臼齿（成年男人）咬东西时，可产生约700 N的力，训练有素的杂技演员的咬力可达880 N～1200 N.

人体各处的关节是人体骨骼的重要连接方式和精密的连接结构，它是骨骼这一杠杆运动的巧妙支点.各块骨连接处的骨面（关节面）十分光滑，表面覆盖着透明软骨构成的关节软骨，以增强灵活度，减少摩擦.据说，两块关节软骨间的摩擦系数比滑冰时冰刀和冰的摩擦系数还小.

人体上有三类杠杆.一是头部杠杆，如图1所示.支点是脊柱之顶，支点前后各有一肌群，其作用力分别用F1和F2表示，头颅的重量阻力为G.若支点后的肌肉群收缩以增大F1，则头向后仰.在后仰过程中，支点前的肌肉群被拉长，F2也随着增大，当F1的力矩和F2及G的力矩相等时，头部就在某一仰角上静止下来.前俯的情况也相类似，只是收缩的是支点前的肌群，被拉长的是支点后的肌群.应指出的是支点前的肌群的存在，使低头比仰头容易，并对支点后的肌群起平衡作用.

二是手臂费力杠杆，如图2所示.肘关节为支点，支点左右有肌肉（二头肌和三头肌），其作用分别用F1和F2表示.若手中持有重物G，此时由于阻力臂比动力臂长，要克服较小的阻力，就得用较大的力.这种杠杆尽管费力，但却赢得了速度和运动范围，拿东西方便灵活.

三是脚部省力杠杆，如图3所示.人用脚尖站立时，脚尖是支点，脚跟后的肌肉收缩提供力F，体重G则落在两者之间.此时由于动力臂较大，用较小的力就足够支持体重.由此可见，若脚越长，则用力越小，跑起来也会快些.

人们呼吸利用了大气压强，人的身体长期能承受的大气压强为一个标准大气压左右.常说的“高山反应”是因为高原地区空气稀薄，气压小于一个标准大气压，人的器官一时难以适应而出现的一种生理反应.

人靠肺呼吸，肺中有数亿计的肺泡（其平均直径约为10-2 cm），肺生长在胸膜腔中.肺泡间布满了充有血液的毛细血管，吸入的空气中的氧气和血液中的二氧化碳就在这里进行交换.肺泡内壁的粘液层是一种表面活性物质，具有调节肺泡内壁液层表面张力的作用.

人在吸气时，胸膜腔扩大，压强减小，空气进入肺泡，使肺泡的半径增大，肺泡内压强减小.由于肺泡内压强比胸膜腔压强减小得慢，所以肺泡内压强大于胸膜腔中压强.同时由于肺泡半径增大，其表面积增大，肺胞内壁粘液层的浓度减少，表面张力系数增大，使肺泡不致胀破.

人在呼气时，胸膜腔缩小，压强增大，同时肺泡缩小，肺泡内压强增大，把含有二氧化碳的空气排出.由于肺泡内压强比胸膜腔内压强增大得慢，所以肺泡内的压强小于胸膜腔中压强.同时由于肺泡内壁粘液层的表面积减小，其浓度增大，表面张力系数减小，使肺泡不致萎缩.刚从母体中出生的新生婴儿，肺泡是萎缩的，医生往往在婴儿屁股上击一掌，婴儿大哭一阵，扩张其肺泡以免窒息.

心脏是提供动力的人体循环系统中的中央泵，一次心脏博动，就是一次血液循环，包括心脏舒张和收缩过程.当心脏舒张时，心房、心室内的压力接近0，静脉中的血流入心房又充盈到心室.当心脏收缩时，右心室通过肺动脉把血射入肺部；左心室通过主动脉把血射出，血流量一般为80 cm3左右，射血时心室的平均压力值约为100 mmHg（最大压力可达120 mmHg）.

故p=ρ水银gh≈1.3×104 Pa，

左心室做功

W左=PΔV=1.3×104×80×10-6≈1.0 （J）.

由于肺血管的阻力低，完成肺循环压力的平均值一般为20 mmHg，故右心室一次把血射入肺所作的功只是左心室做功的1/5，所以W右=0.2 J.

一次循环心脏做的功为

W=W左+W右=1.0 J+0.2 J=1.2 J.

成年人正常心跳每分钟为75次左右，故每次跳动所需时间约为0.8 s，故心脏功率为