Biomekanika Dan Fluida [PDF]

Citation preview

BIOMEKANIKA DAN FLUIDA



Dosen : Heru Edi Kurniawan,M.Pd



Pengertian Biomekanika 1.



2.



3.



Mekenika adalah : Salah satu cabang ilmu Fisika yang mempelajari GERAKAN dan PERUBAHAN BENTUK materi yang diakibatkan gangguan mekanik yang disebut GAYA. Biomekanika adalah kombinasi antara disiplin ilmu mekanika terapan dan ilmu-ilmu biologi dan fisiologi, dalam biomekanika menyangkut tubuh manusia dan hampir semua tubuh mahluk hidup. Biomekanika adalah : ilmu pengetahuan yang menerapkan hukum-hukum mekanika terhadap struktur tubuh terutama sistem lokomotor dalam arti perpindahan gerak tubuh yang juga melibatkan berat tubuh.



BIOMEKANIKA PENGUKURAN Mengukur adalah membandingkan suatu kuantitas. Kuantitas yang dibandingkan disebut sebagai besaran. Besaran dalam fisika ada dua macam, yaitu besaran pokok dan besaran turunan. Kualitas pengukuran bergantung pada: 1. Ketelitian Alat Ukur (accuracy) 2. Pengulangan Pengukuran (precision)



Mengukur untuk Diagnosis (Kesehatan) n



Faal Positif Error yang terjadi dimana penderita dinyatakan menderita suatu penyakit padahal tidak



n



Faal negatif Error yang terjadi dimana penderita dinyatakan tidak sakit padahal menderita suatu penyakit



Untuk menghindari faal: 1. Cara melakukan pengukuran 2. Pengulangan pengukuran 3. Penggunaan alat yang dapat dipercaya 4. Kalibrasi terhadap alat. Proses Pengukuran



Ketelitian dan kebenaran Faal positif atau negatif Data-data lain



Vonis diagnosa



4



Hukum Dasar Biomekanika lHukum pertama Newton (Kelembaman) Untuk keseimbangan benda lHukum kedua Newton



lHukum ketiga Newton ( aksi reaksi ) F = -F 5



Gaya pada tubuh dan di dalam tubuh l Gaya pada tubuh : dapat kita ketahui, contoh : bagian tubuh kita menabrak (membentur) meja. l Gaya dalam tubuh : tidak diketahui, contoh: otot menahan beban. Dasar asal mula gaya adalah gaya gravitasi, tarik-menarik antara 2 benda, misalkan berat badan, terjadinya varises, dll. Gaya pada tubuh ada 2 tipe : 1. Gaya pada tubuh dlm keadaan statis. 2. Gaya pada tubuh dalam keadaan dinamis.



6



Gaya pd tubuh keadaan statis Statis : Tubuh dlm keadaan setimbang, jumlah gaya dan momen gaya yang ada sama dengan nol. Sistem keseimbangan tubuh manusia ditentukan oleh sistem tulang dan otot yang membentuk sistem pengumpil. Ada 3 kelas sistem pengumpil :



a. Klas pertama Titik tumpuan terletak diantara gaya berat dan otot W = gaya berat M = gaya otot



W



M7



b. Klas kedua Gaya berat diantara titik tumpu dan gaya otot. M



W



M W



c. Klas ketiga Gaya otot terletak diantara titik tumpuan dan gaya berat



M



M W



W



8



Penggunaan Klinik • Traksi leher



Arah tarik katrol



Arah tarik otot



w 10



Traksi tulang



w Berat pemberat 1/7 kali BB 11



Traksi kulit



w Berat pemberat 1/10 kali BB hanya untuk anak-anak dibawah 12 tahun 12



Keseimbangan ¡



Keseimbangan stabil 1. Pusat gravitasinya naik jika diberi gaya. 2. Muncul gaya pemulih yang menyebabkan kembali kekeadaan semula. 3. Tenaga potensial bertambah



14



¡



Keseimbangan Labil 1. Pusat gravitasinya turun jika diberi gaya. 2. Posisi benda akan mengalami perubahan. 3. Tenaga potensial berkurang



15



¡



Keseimbangan Normal 1. Pusat gravitasinya tidak berubah jika diberi gaya. 2. Tenaga potensial tetap



16



Otot manusia ¡



¡



¡



Setiap jenis otot mempunyai kemampuan yang khas dalam menjalankan kerja biomekanik • Masing-masing memiliki kekuatan, kecepatan dan ketelitian geraknya sendiri • Kekuatan otot bergantung juga pada dimana dan ke arah mana kekuatan itu dikeluarkan



KEKUATAN OTOT ¡ ¡



¡



¡



TERGANTUNG DARI BANYAKNYA SERAT KEKUATAN MAKSIMUM, SERAT OTOT 0.30.4 N/mm² (1 KG=10 N) DARI CROSS SECTION DAPAT MENGANGKAT BEBAN 3 – 4 KG (30 – 40 N) WANITA DENGAN LATIHAN YANG SAMA DENGAN PRIA DAPAT MENCAPAI KURANG DARI 30% KEKUATAN PRIA KEKUATAN PALING BESAR PADA SAAT PERMULAAN KONTRAKSI (RELAX)



Kekuatan kerja otot bergantung pada ¡ ¡ ¡



¡



Posisi anggota tubuh yang bekerja Arah gerakan kerja. Perbedaan kekuatan antar bagian tubuh. o Usia. o Kecepatan dan ketelitian. Daya tahan jaringan tubuh terhadap beban.



Daya Tahan Terhadap Beban Mekanik ¡



¡



Setiap jenis jaringan mempunyai kemampuan yang khas dalam menahan beban biomekanik yang datang kepadanya Beberapa faktornya: – Konstruksi sistem otot-rangka – Sifat bahan jaringan yang bersangkutan – Kebiasaan/latihan



Mengapa mengukur tekanan darah dilakukan di lengan?



TEKANAN HIDROSTATIKA



FLUIDA = zat alir Zat cair



- Molekul terikat secara longgar tapi berdekatan -Tekanan yang terjadi karena gaya grafitasi -Tekanan terjadi tegak lurus bidang



GAS -Molekul bergerak bebas dan saling bertumbukan -Tekanan akibat tumbukan antar molekul -Tekanan terjadi tidak tegak lurus bidang



HIDRODINAMIKA 1. Persamaan Kontinuitas Dalam pipa tak bercabang, debit aliran zat cair adalah tetap



Q = V/t = A.S/t = A.v = tetap super mom



A1.v1 = A2.v2



life is short



2. Hukum Bernoulli



Besaran yang berdimensi tekanan di mana-mana sama



P + ½ r.v2 + r.g.y =konstan P1 + ½ r.v12 + r.g.y1 = P2 + ½ r .v22 + r.g.y2



ALIRAN ZAT CAIR MELALUI PEMBULUH DARAH P1



P2



A



F



Hukum Poiseuille : Cairan yang mengalir melalui suatu pipa kecepatannya berbanding lurus dengan penurunan tekanan dan pangkat empat jari-jari



pr ( P1 - P2 ) V= 8hL 4



Untuk menjelaskan mengapa penderita usia lanjut mengalami pingsan Mengapa daerah ujung suhunya dingin.



3. Aliran zar cair melalui pembuluh



Persamaan Poiseuille



V/t = π r4 (P1 - P2) / 8 η L P1 - P2 = (V/t) 8 η L / π r4 Ekuivalen dengan Hukum Ohm



E=IR



Kesimpulan



Bila ( P1 - P2 ) diartikan sebagai tekanan darah, maka tinggi rendahnya tekanan darah tergantung pada :



1. 2. 3. 4.



Debit (kecepatan) aliran darah Tingkat kekentalan (viskositas) darah Panjang pembuluh darah Luas penampang (diameter) pembuluh



4. Laju Endapan & Gaya Buoyansi (apung) Gaya Jatuh (berat)



Gaya ke atas (Buoyant Force)



G = m.g = 4/3 π r3 ρ g



B = 4/3 π r3 ρo g



Gaya Stokes / Hambat (Retarding Force)



R=6πrηv Gaya hambat = Gaya Berat - Gaya ke atas



6 π r η v = 4/3 π r3 (ρ- ρo) g atau



v = (2 r2 /9 η) (ρ- ρo) g



motivasi



v : laju sedimentasi r : jejari penampang pembuluh ρ : massa jenis ρ : massa jenis η : koefisien viskositas



Hasil Rumus Poiseuille 600 cm2 30 cm/s Kecepatan 5 cm/s



18 cm2



Luas 3



cm2 1 mm/sec



Aorta



Kapiler Pertukaran O2 dan CO2



Vena cava



Tahanan terhadap debit zat cair l



Efek panjang Pembuluh Terhadap debit Makin panjang pembuluh, diameter sama, zat cair akan mendapat tahanan semakin besar, maka debit zat cair akan lebih besar pada pembuluh yang pendek. Panjang = 3 1 ml/min Panjang = 2 2 ml/min Panjang = 1 3 ml/min



• Efek diameter pembuluh Kecepatan aliran zat cair makin cepat pada diameter yang pembuluhnya makin besar d=1 1 ml/min d=2



16 ml/min



d=3 256 ml/min



Efek kekentalan Semakin kental zat cair semakin besar tahanan terhadap dinding pembuluh, sehingga dapat ditentukan konsentrasi sel darah merahnya. 1 cm



air



1,5 cm



plasma



Note :



3,5 cm



darah



Pada darah normal kekentalan 3,5 kekentalan air. Kekentalan 1 ½ kali diatas normal kekentalan 2 kali air. Kekentalan 70 kali di atas normal kekentalan 20 kali air



Efek tekanan terhadap debit Aliran air mengalir dari tekanan tinggi ke rendah. Aliran air sebanding terhadap perbedaan tekanan



1 ml/min



2 ml/min



3 ml/min



BUNYI JANTUNG Stetoskop è vibrasi jantung dan pembuluh darah besar Karena aliran laminer dan turbulensi. Hubungan EKG, bunyi jantung, ventrikel kiri dan tekanan aorta Tekanan Tekanan aorta



Tekanan ventrikel Suara jantung



EKG



Time



Tekanan Darah n n



n



Jumlah darah orang dewasa 4,5 liter Dlm 1 kali kontraksi jantung terpompa 80 ml darah permenit beredar satu siklus dalam tubuh. Dlam sirkulasi darah 80 % sirkulasi sistemik



20 % di arteri



10 % di kapiler



70 % di vena



20 % sirkulasi paru-paru



7 % di kapiler paruparu



93 % di arteri dan vena paru-paru



TEKANAN DARAH SISTEMIK P



TEKANAN ARTERI PARU-PARU



Sistolik



120



30



Tek rata-rata



95 80



P



20 10



Diastolik



Sistolik Tek rata-rata Diastolik



t



t



Tekanan rata-rata Menentukan banyaknya darah yang mengalir tiap satuan waktu t



Prata -rata



1 = ò P(t )dt T0



MEMBRAN KENYAL Terdapat pada Pembuluh darah, lambung, usus, alveoli dll. Bentuknya : Silinder



Bola ( gelembung )



R



T ( tegangan )



T P = R



P



4g P= R



g



Alat Ukur Tekanan Zat Cair n



n



Tonometer Untuk mengukur tekanan intra okuler èpenderita glaukoma Harga normal tekanan intraokuler 12 – 23 mm Hg Sistometer Untuk mengukur tekanan kandung kencing. Terdiri dari pipa kapiler yg mengandung skala cm H2O, terhubung ke jarum melalui pipa karet. Perbandingan : Orang dewasa 30 cm H2O pada penedrita prostat hipertropi mencapai 100 cm H2O baru terjadi pengeluaran kencing.



Alat Pernapasan Manusia



Mekanisme Pernapasan Manusia • Pada saat bernapas ada dua proses yang terjadi: • Inspirasi à proses masuknya udara ke dalam paru-paru. • Ekspirasi à proses keluarnya udara dari paruparu. • Inspirasi dan ekspirasi terjadi antara 15-18 kali setiap menit. • Mekanisme pernapasan pada manusia dibedakan atas dua macam, yaitu pernasan dada dan pernapasan perut. Pernapasan dada dan perut terjadi secara bersamaan.



Mekanisme Pernapasan Manusia • Pernasapan dada à pernapasan yang melibatkan otot antartulang rusuk. • Pernapasan perut à pernapasan yang melibatkan otot diafragma.



Pernapasan Dada • Mekanisme inspirasi pernapasan dada sebagai berikut: Otot antar tulang rusuk (muskulus intercostalis eksternal) berkontraksi à tulang rusuk terangkat (posisi datar) à paru-paru mengembang à tekanan udara dalam paruparu menjadi lebih kecil dibandingkan tekanan udara luar à udara luar masuk ke paru-paru. • Mekanisme ekspirasi pernapasan dada adalah sebagai berikut: Otot antar tulang rusuk relaksasi à tulang rusuk menurun à paru-paru menyusut à tekanan udara dalam paru-paru lebih besar dibandingkan dengan tekanan udara luar à udara keluar dari paru-paru.



Pernapasan Perut • Mekanisme inspirasi pernapasan perut sebagai berikut: Sekat rongga dada (diafragma) berkontraksi à posisi dari melengkung menjadi mendatar à paru-paru mengembang à tekanan udara dalam paru-paru lebih kecil dibandingkan tekanan udara luar à udara masuk • Mekanisme ekspirasi pernapasan perut sebagai berikut: Otot diafraghma relaksasi à posisi dari mendatar kembali melengkung à paru-paru mengempis à tekanan udara di paru-paru lebih besas dibandingkan tekanan udara luar à udara keluar dari paru-paru.



Penyakit Pada Sistem Pernapasan • • • • • •



Asma Bronkitis Influenza Flu Burung Flu Babi Asbestosis



• • • • •



Faringitis TBC Emfisema Kanker Paru-paru Pneumonia



Komponen udara Inspirasi ; 80 % N2, 19 % O2 dan 0,04 % CO2 Ekspirasi ; 80 % N2, 16 % O2 dan 4 % CO2 Udara yang dihirup sebanyak 10 kg, absorbsi udara lewat paru-paru 0,5 kg



A. PERNAPASAN DADA v Otot yang berperan aktif dalam pernapasan dada adalah otot antartulangrusuk (interkostal). v Mekanisme pernapasan dada sebagai berikut q Inspirasi otot antartulang rusuk luar berkontraksi >> tulang rusuk terangkat >> volume rongga dada membesar >> tekanan udara dalam rongga dada lebih kecil daripada tekanan udara di luar tubuh >> udara masuk ke paru – paru q Ekspirasi otot antartulang rusuk dalam berkontraksi >> tulang rusuk turun >> volume rongga dada mengecil >> tekanan udara dalam rongga dada lebih besar daripada tekanan udara di luar tubuh >> udara keluar dari paru - paru



B. PERNAPASAN PERUT vOtot yang berperan aktif dalam pernapasan perut adalah otot diafragma vMekanisme pernapasan perut sebagai berikut q Inspirasi otot diafragma berkontraksi >> diafragma akan mendatar >> volume rongga dada membesar >> tekanan udara dalam rongga dada mengecil >> udara masuk ke paru – paru q Ekspirasi otot diafragma berelaksasi >> diafragma akan cekung ke arah rongga dada >> volume rongga dada mengecil >> tekanan udara dalam rongga dada meningkat >> udara keluar dari paru – paru



soal n



darah mengalir dari pembuluh darah yang besar jari-jarinya 0,3 cm dimana kelajuanya 20 cm/s kedalam daerah dimana jari-jari berkurang 0,2 cm karena penebalan dinding (arteriosclerosis). Berapa kelajuan darah di bag lebih kecil?



n



Radius aorta kurang lebih 1,0 cm dan darah yang melewatinya memiliki laju 30 cm/s. pembuluh kapiler biasanya memiliki radius sekitar 4 x 10^-4 cm, dan darah mengalir melaluinya dengan laju 5 x 10^-4 cm/s. perkirakanlah berapa banyak pembuluh kapiler yang ada didalam tubuh!



TUGAS Jawab Pertanyaan 1. bagaimana Hukum Poiseille n 2. jelaskan Pengaruh Tekanan Darah dalam kesehatan Manusia n 3. bagaimana efek tekanan darah terhadap debit n 4. bagaimana efek tekanan darah terhadap kekentalan darah



n n n n n n



5. bagaimana efek tekanan darah terhadap diameter pembuluh 6. jelaskan sirkulasi sistemik dan sirkulasi paruparu 7. Jelaskan sistometer dan tonometer 8. jelaskan mekanisme pernafasan dada dan paru paru 9. Bagaiamana Keseimbangan cairan dan elektrolit 10. Tekanan kandung kemih dan Aliran laminar dan turbulensi darah