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密度定义为每单位体积的质量，以希腊字母ρ表示。ρ与质量和体积的关系由下列公式表示：ρ=m/V，m和V分别表示物质的质量和体积。密度以国际制kg/m 3 表示，偶尔用g/m 3 表示。密度是依赖温度的变量，虽然固体和液体比起气体所受的影响小得多。身体质量包括骨、肌肉、结缔组织和器官，其特有的密度接近1.10，然而脂肪（包括身体必需的脂肪和多余的脂肪）密度约为0.90，因此，脂肪多的人更容易浮在水面上。除密度外，物质由其比重定义，即物质密度与水的密度的比率。根据定义，水的比重在4℃是1.0。所以，凡是比重小于1.0的物体均可浮起，大于1.0的物体就下沉。人体的比重为1.04，因为肺内含有空气，平均比重是0.974，因此大多数人是可以浮起来的。
液体和气体对浸在其中的物体有向上的托力，物理学中把这个托力叫做浮力。阿基米德定律是力学中的基本原理之一。浸在液体里的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力。比重为0.97的人，当其身体97%的体积被浸没时，可达到浮力和重力平衡。
其临床意义为：
（1）浮力使患者在减重和减轻关节负荷下更容易进行主动活动。
（2）浮力使治疗师从三维的方向接近患者。
压力的效果用压强来表示，以每单位面积所受的力来定义，习惯理解为力（F）垂直作用在面积（S）上。关系为：P=F/S。其国际单位是：帕斯卡（P），是以法国科学家布莱士·帕斯卡（Blaise Pascal）命名。
其特性有：
（1）浸入水中的物体在同一平面，各个方向作用于物体的压强相等。
（2）当水的密度和深度增加时压强亦增大。
其临床意义为：
（1）减轻水肿，促进静脉血回流，诱发心动过缓和集中外周血流。
（2）当接近水面运动时，水深的减少使患者更容易进行活动。
黏度是液体分子间摩擦产生的，导致形成运动阻力。在液体中运动时，阻力与速度成反比。
其临床意义为：
（1）黏度使所有的主动运动均会产生阻力。
（2）短的力臂导致阻力增强。在固定肢体的近端进行徒手抗阻训练时，将会使患者多做功。而固定肢体的远端时，会使患者少做功。
（3）在水面进行活动时阻力随黏度增大而增加。
表面张力是分子力的一种表现。它发生在液体和气体接触时的边界部分，是由表面层的液体分子处于特殊情况导致的。
其特性有：
（1）表面分子的引力与水面平行。
（2）表面张力的阻力随着浸入水中物体的大小而改变。
其临床意义为：
（1）肢体在水面进行运动比在水下运动做功更多。
（2）利用一些设备在水面进行运动将提高阻力。
流体力学是流动液体的物理性质和特征。
流体运动有以下几个组成部分：
（1）层流是指所有分子相互平行移动，特别是在缓慢运动时的运动。
（2）涡流是指所有分子相互不平行的移动，特别是在快速运动时的运动。
（3）拖曳涡流和黏度的累积效应作用于一个移动的物体。
其临床意义为：
（1）在水中的运动速度增加时，阻力增加。
（2）流动的水经过患者身边，患者需要做更大的努力以维持他们的姿势。
（3）当患者在水中运动肢体时，使用浮力手套、划水板等设备将会增加拖曳和阻力。
在水中进行运动时，水温作用于人体而产生各种生理反应。
质量热容（比热容）是指1g的某种物质，温度升高1℃吸收的总热量（J）。温度变化的速度取决于该物质的体积和比热。
其临床意义为：
（1）水的比热比空气的大1000倍。
（2）浸入水中的物体与水的温度不同将使水温有轻微的变化而保持在平衡状态。
（1）水传递温度的速度比空气快25倍。
（2）在水中运动速度加快，温度的传递也加快。一个在水中运动的患者比在水中静止的患者失去更多体温。
浮心是指浸入水中的物体受到垂直向上浮力的一个作用点。在水环境中，浮心比重心更多地影响到身体的运动。垂直向上的力不会通过浮心而产生旋转运动。
其临床意义为：
（1）在垂直位时，人体的浮心位于胸骨。
（2）在垂直位时，在患者的后方使用浮力设备可使患者前倾；而在前方使用浮力设备，患者则后倾。
（3）在进行单侧的徒手抗阻训练时，患者绕着治疗师进行运动。
（4）一侧下肢截肢的患者，在垂直位时将倾向患侧。
（5）患者负重于水疗池底时（如坐位、跪位、站立位）将同时感受到浮心和重心的影响。
水疗法对人体作用的实质，是以水这个媒介物作为一种外因刺激来改变外界环境，并通过神经——体液的调节机制，引起体内器官功能变化。水疗作用机制有3个决定性因素：即温度、机械及化学的刺激作用，其中尤以温度的刺激作用最为显著。水中运动疗法则在此基础上强调在水中运动所产生的效果。
进行水中运动治疗时，水的温度作用于人体，引起人体相应的功能变化。温度的数量变化，引起不同质的反应。温热与寒冷刺激可使人体产生性质完全不同的反应：对寒冷刺激的反应为迅速、激烈、如电击式；而对温热刺激反应，则较为缓慢、不强烈和逐渐感到温热。人和恒温的高级动物，耐受温度的变动范围十分狭小，如人的体温降至25℃以下，或升至43℃以上时则会危及生命。由此可见，温度对机体的生命活动过程影响是很大的。临床上常以水的温度不同，将水浴疗法分为以下几种：冷水浴15℃～28℃；凉水浴28℃～33℃；不感温水浴36℃；温水浴37℃～38℃；热水浴39℃～45℃（<45℃）。通常水疗温度常用39℃～45℃。
在水疗中，几乎没有一种水疗法不包含机械的刺激作用，只是在刺激的量上有大小区别。其主要作用包括以下3方面：
在普通盆浴时，静水压力可压迫胸部、腹部，使呼吸有某种困难的感觉，从而使患者不得不用力呼吸来代偿，这就加强了呼吸运动和气体的代谢。同时，静水压力还作用于血液循环，压迫体表的血管和淋巴管，使体液回流量增加，引起体内的体液再分配。
当人体进入水池的一瞬间，人们能感知静水压的存在，身体有一种压迫感，胸部对静水压变化最为敏感，原因在于静水压能影响肺扩张。因此，一般认为肺活量低于1500ml的患者不宜进入水池进行水中运动训练。静水压作用于人体时，来自所有方向的压力均相等，所以身体某一表面不会比其他的部位更强烈地感知静水压。静水压随水的深度增加而增加，如果在水面下巧妙地利用这一增大的静水压来进行适当的运动，则有助于患部肿胀的消退。
（1）治疗病患 人在水中运动训练时，可利用水的浮力去治疗病患。因为借助水的浮力进行水中体操活动，肌肉所需要的力量比在空气中要小得多。人体比重为1.04，水中运动时因浮力作用可使身体负荷减轻，如体重60kg的人，在水中的体重负荷可变为6.8kg左右，因此在水中步行、做起立等支持体重动作时疼痛减轻，行动变得容易。人在水中随水深度的增加（即人体入水部分的增大）体重减轻。利用此特点可调节肢体运动训练时的负荷大小来进行肢体运动训练。水中运动可治疗慢性类风湿关节炎的下肢痛及下肢外伤所致的疼痛，尤其适用于跟骨骨折时的步行训练。另外，对于下肢肌力低下的患者，在陆地上行走困难时，可改做水中运动训练，往往能收到意想不到的效果。在上肢及其他种类肌力低下时，可利用浮力作用来进行训练，尤其伴有疼痛时，与温热的作用相辅相成，效果更好。
（2）对抗阻运动训练的影响 利用水的流体抵抗作用可进行肢体的抗阻运动训练。根据患者在水中运动方向，浮力可以是助力，也可以是阻力，从而决定了训练方式，也影响了训练效果。例如，患者从水底向水面垂直向上运动，浮力是助力，该训练是辅助主动运动；反之快速地垂直向下运动，则成了抵抗主动运动。
人在水中受到两个相互对抗、大小相等、方向相反的力，一个是人体重力，作用于人体的重心，另一个是浮力，作用于浮心。浮心与重心处于非同一垂直线上时，身体由于两个力的作用而发生旋转，直至达到平衡状态，利用这一原理，可在水中运动时训练患者的平衡及运动功能（图2-1）。
图2-1 重心与浮心相互作用示意图
水的流动谓之水流。在水中运动时，水流可成为患者的助力或阻力。涡流是通过人工调节浴盆内设置的喷嘴方向形成的旋转水流。水射流则是通过水枪喷射出的高压水流，应用2～3个大气压的定向水流射向人体，有很大的机械性刺激作用。水、涡流、水射流可在治疗患者时，灵活选用，配合治疗患者。
在水疗中，即使采用淡水浴，实际上也有微量矿物质的化学刺激作用，因为淡水中也溶有少量的盐类物质。由于水能溶解各种矿物盐类、液体及微量的气体，所以在施行水疗时，可以加入各种矿物盐类、药物和气体。这些化学物质的刺激可加强水疗的作用，并能使机体获得特殊的反应从而提高疗效。
皮肤受到水的温度、机械和化学刺激等的作用，除了影响体温调节、新陈代谢、心血管和呼吸系统外，还影响内分泌、免疫功能等。
在水疗中皮肤是第一个接受刺激的器官。在生理结构上，皮肤有很丰富的血管、神经末梢。当皮肤毛细血管扩张时，可以容纳全身血液的1/3，因而皮肤血管的一张一缩，对体内血液的分布状况，将产生很大的影响。皮肤还分布有大量的脊髓神经和植物性神经系统的神经末梢，它们同中枢神经、内脏有密切的联系。通过对这些末梢神经的刺激，可以影响到中枢神经和内脏器官的功能。如手浴能影响胸腔脏器；足浴能影响脑的血液循环；坐浴能影响盆腔器官等。
皮肤受到冷的刺激作用后，呈现苍白、血管收缩、局部缺血，皮肤有冷感觉，这是第1期反应。第1期反应持续1分钟，即进入第2期，其特征是皮肤变蔷薇红色、血管扩张，皮肤有热感觉，原因是单位时间内通过血管的血液增加。如果冷的刺激持续下去，即进入第3期反应，其特征是血管继续扩张，因神经调节疲劳，血管神经麻痹，局部呈现淤血现象，皮肤呈紫红或紫蓝色，触之更冷，进一步则会发生冻伤。
皮肤受热的刺激作用，如果温度过高，一开始即进入第2期反应，血管扩张，皮肤发红。但温度不甚高时，发生第1期反应，但较冷刺激作用的持续时间短、反应弱，很快便进入第2期的主动充血反应。第2期的持续时间和表现，一般也不如冷刺激强，此点可能为热刺激作用能使血管张力减弱的缘故。持续的热刺激，血管由主动性充血变为被动性充血。如热刺激强烈时，则会发生烫伤。
水疗法对心血管系统的影响，取决于水的温度、持续作用时间以及刺激强度。
当对心脏部位进行冷敷时，心搏次数减少，但收缩力量增强、脉搏有力、血压下降。实验证明：于兔子心脏部位放置冰袋l小时，可使心包温度降低1.6℃。心脏部位施行热敷时，心搏加快，在适当的作用下也可增加心肌张力，但温度超过39℃或作用时间延长时，心肌张力则会减低，甚至发生心脏扩大。
进行全身冷水浴时，初期毛细血管收缩、心搏加速、血压上升，但不久又出现血管扩张、心搏变慢、血压降低，可顿时减轻心脏的负担。因而人们认为寒冷能提高心肌能力，有使心搏变慢，改善心肌营养的作用。
在进行37℃～39℃的水浴时，周围血管扩张、脉搏增快、血压下降，造成体内血液再分配，这种再分配在治疗上有一定意义。但是，当这种再分配发生急剧的改变时，则会出现一些脑血循环障碍的症状，如面色改变、头沉、头晕、头痛、耳鸣、眼花等。这是在施行水疗法时应该尽量避免发生的，这种反应常见于体质较弱、贫血或有高血压、脑充血倾向者。在40℃以上的热水浴时，血压出现波动，首先上升，继之下降，然后再上升。最初的反应是由于高温下血管发生痉挛；第2阶段是因血管扩张；最后是对心脏的适应功能提出了新的要求，尽管这时血管处于扩张的状态，血压仍然出现了第二次上升。这种心脏适应功能，在健康人和心脏代偿能力佳的人身上表现明显，因而人们认为，40℃以上的热水浴，能增加心脏的负担。几项研究证实，心脏梗死和缺血性心肌病的患者利用水环境的作用得到了心血管的康复。Tanaka发现浸没在非常热（41℃）的水中1次，肺动脉契合压和右心房压力都下降约30%，每天治疗的患者在1个月后显示射血分数增加30%左右，按照纽约心脏协会（NYHA）的分类，心功能分级可显著改善1级或者2级。
不感温水浴对于心血管影响不大。
另外，胸廓、腹壁、四肢在水中时，因压力影响，周径均缩小，同时腹腔、胸腔静脉末梢部的内压均高。这类似于临床上双侧气胸及气腹的状态。静水压可对淋巴淤积、浮肿、肢体肿胀有良好作用，但都可引起膈肌上升及运动受限，导致呼吸面积缩小而肺活量减少；同时也可使心脏增大，肺与心脏的面积比例减少，全身浴时心脏与肺的比例可增加40%之多，因而对呼吸功能、肺循环功能产生影响，这些情况在水中运动训练时要予以充分注意。
浸没对心血管的级联效应如图2-2所示：
图2-2 心血管级联反应示意图
水疗通过神经性反射对患者呼吸次数和深度产生影响。
瞬间的冷刺激使吸气加深，甚至有短暂的呼吸停止和深吸气，温度越低，刺激越突然，呼吸停止得越快越急剧。继之，从一系列深呼吸运动变为呼吸节律更快更深。如受到热刺激时，所见到的情况与冷刺激一样，但不十分急剧，表现为呼吸节律变快，而且较为浅表。长时间的温水浴使呼吸减慢。呼吸加快是糖和脂肪代谢增加、二氧化碳累积的结果。
另外，水浸没身体至胸部对呼吸系统的影响至深，其产生的效应一方面是使血液回流到胸部，另一方面是使胸部自身受到水的挤压，共同作用改变了肺功能，增加呼吸功，改变呼吸动力学。
浸没对呼吸的影响如图2-3所示。
图2-3 浸没对呼吸的影响
温热作用可以缓解肌肉痉挛，提高肌肉工作能力，减轻疲劳。故温热水浴常配合按摩和体疗用来治疗运动器官疾病。关于温热作用减轻肌肉疲劳的解释，有人认为：在热作用下，血管扩张、血氧增加，代谢加快，因而有利于肌肉疲劳的消除。短促的温热刺激使胃肠道平滑肌的蠕动增强，长时间作用则使蠕动减弱、肌张力下降。温热有缓解和消除肌肉痉挛的作用，而对其作用机制，目前尚无明确的解释。
一般认为，短时间的冷刺激可提高肌肉的应激能力，增加肌力，减少疲劳，伴有机械作用时尤其如此；但长时间作用则会引起组织内温度降低，使肌肉发生僵直，造成运动困难。
全身水疗能引起血液质量的变化。比重、黏稠度增加，血红蛋白增加14%，红细胞增加百万以上，白细胞也有增高。这种反应的发生，有时迟缓，有时迅速。一般认为这种血液成分的变化，不是绝对的数量增加，而是血液分布状态改变的结果。因为水疗时，储血器官的有形成分进入了血液循环。
动物实验发现，狗的体温升高到41℃～42℃，呼吸增至150～250次/min，血液比重及固体成分增高，血液内每个单位体积的剩余氮、尿素、尿酸等含量增加，氯化物含量减少，而乳酸的增加与体温上升相平行。
肾脏血管与皮肤血管对刺激的反应相似，不同温度的水疗，对肾脏及汗腺可引起不同反应。温热刺激，能引起肾脏血管扩张，从而利尿。冷刺激，则使尿量减少。
正常肾脏的泌尿功能，受全身血压及血管口径的影响，排尿量与流过肾脏的血液量呈正比。理论上，温热刺激能引起肾脏血管扩张而增加利尿；冷的刺激则使尿量减少。但在实际工作中，热水浴由于大量出汗，使排尿量减少；冷水浴时出汗少，使排尿量反而相对增多。在一般进行水疗的情况下，一昼夜之间并不会看到排尿量有显著变化，同没有水疗的时候几乎一样，只有在长时间的温水浴作用下，才能使一昼夜的尿量、钠盐和尿素的排出量增加。这种排出量的增加，显然是血液循环改善的结果。
全身水疗对神经系统的影响因温度不同而有差异。皮肤有丰富的感受器，温度刺激由向心神经传到中枢，引起各系统的反应。适当的冷水浴能兴奋神经，例如人们常用冷水喷洒头和面部，以帮助昏迷患者苏醒。多次施行不感温水浴，能使从周围到大脑皮质的神经冲动减少，神经兴奋性降低，加强大脑皮质抑制功能，起到镇静催眠的作用。40℃以上的热水浴，能够使人先是兴奋继而疲劳、软弱，到最后昏昏欲睡。
在热水浴作用下，汗腺分泌增加，排出大量汗液，有害代谢产物及毒素也随之排出。由于液体丧失、血液浓缩、组织内的水分进入血管，所以它能促进渗出液的吸收；但大量出汗以后，人体也丢失较多氯化钠，使身体有虚弱的感觉。因此，水疗时如出汗过多，应适当补给些盐水以补偿损耗。
新陈代谢与体温有着密切的关系。在体温升高和氧化过程加速的情况下，身体基础代谢率增高；组织温度降低时，基础代谢率则降低。冷水浴主要作用是加快脂肪代谢、气体代谢及血液循环，促进营养物质的吸收。温水浴能在某种程度上降低代谢过程。而过度的热作用、蒸气浴或干空气浴，则会使碳水化合物及蛋白的燃烧加速。因此，大量出汗也会造成体内脱水及部分矿物盐类的丧失。