![Penerapan Hukum Fisika Tubuh Manusia (File Terbaru) [PDF]](https://pdfs.asia/img/200x200/penerapan-hukum-fisika-tubuh-manusia-file-terbaru.jpg)
5 0 12 MB
Modul Ilmu Biomedik Dasar
Penerapan Hukum Fisika pada Manusia Departemen Fisika Kedokteran, Fakultas Kedokteran UI Klaster Medical Technology, IMERI-FKUI
Kontributor dan Tim Pengajar 1. 2. 3. 4. 5.
Prasandhya Astagiri Yusuf, S.Si., M.T., Ph.D. dr. Anindya Pradipta Susanto, B.Eng., M.M. ir. Muhammad Hanif Nadhif, S.T. Drs. Sastra Kusuma Wijaya, Ph.D. Muhammad Satrio Utomo, S.T., M.S.
Latar Belakang
www.goodnewsfinland.com
• • •
healthcareinamerica.us
Teknologi akan berkembang pesat dalam era Industri 4.0 Diperlukan ilmu dasar fisika yang baik untuk dapat memahami konsep fenomena fisis dalam bidang kesehatan Teknologi + Kesehatan = INOVASI
Materi Bahasan 1. 2. 3. 4. 5.
Gelombang Biomekanika Mekanika Fluida & Hukum Gas Biolistrik Termodinamika
Waktu kuliah: 150 menit
Modul Ilmu Biomedik Dasar
1. Gelombang
GELOMBANG Weker alarm terlihat bergetar, namun suara tidak dapat terdengar Ruang vakum
Mengapa?
www.explainthatstuff.com
GELOMBANG •
Gelombang adalah getaran/osilasi yang merambat, sebagai perpindahan energi dari suatu titik di dalam ruang ke titik lain tanpa perpindahan materi/medium.
www.ck12.org
blocs.xtec.cat
www.askamathematician.com
Transversal / Longitudinal ?
www.scienceabc.com
Mekanik / Elektromagnetik ?
www.assignmentpoint.com
Perambatan Energi pada Gelombang
giphy.com
Gelombang tranversal
bergerak dalam arah tegak lurus terhadap arah rambat gelombang
Gelombang longitudinal
bergerak dalam arah paralel terhadap arah rambat gelombang
Gelombang permukaan
bergerak dalam arah paralel serta tegak lurus terhadap arah rambat gelombang
Perambatan Energi pada Gelombang
factmyth.com/mechanical-waves-versus-electromagnetic-waves/
à Korelasi dengan kasus weker dalam tabung vakum?
Sifat-sifat Gelombang 1. Transmission (diteruskan) adalah ketika gelombang merambat diteruskan ke medium selanjutnya 2. Absorption (diserap) merupakan fenomena saat gelombang mengenai suatu material / medium berbeda, lalu sebagian / seluruh energi gelombang diserap dan diubah menjadi energi lain 3. Reflection (dipantulkan) ketika gelombang dipantulkan kembali ke arah datang gelombang, setelah membentur suatu material / medium berbeda Transmission
Absorption
Reflection
Refraction
Dispertion
Interference
Sifat-sifat Gelombang 4. Refraction (dibiaskan) adalah perubahan sudut rambatan / lintasan gelombang ketika merambat melalui medium berbeda dengan indeks refraksi berbeda Transmission (1 sinar putih yang Absorption Reflection 5. Dispertion di-dispersikan menjadi komponen spektrum cahaya me-ji-ku-hi-bi-ni-u) 6. Interference (interferensi) merupakan fenomena yang terjadi ketika dua gelombang bertemu saat bepergian di sepanjang medium yang sama. Refraction
Dispertion
Interference
Diffraction
Polarization
Doppler
Transmission
Sifat-sifat Gelombang Absorption
Reflection
7. Diffraction (pelengkungan) adalah ketika gelombang berubah arah ketika mereka melewati bukaan atau di sekitar penghalang. 8. Polarization adalah peristiwa perubahan arah getar gelombang yang acak menjadi Refraction satu arah getar (hanya Dispertionuntuk gelombang EM) Interference 9. Doppler effect merupakan fenomena perubahan frekuensi akibat adanya perubahan posisi pendengar dan/atau sumber bunyi relatif terhadap yang lainnya (saling menjauh/mendekat) Diffraction
Polarization
Doppler Effect
Komponen Dasar Gelombang • Panjang gelombang (λ) adalah panjang satu bukit gelombang ditambah satu lembah gelombang [m] • Amplitudo (A) adalah simpangan maksimum gelombang [m] • Frekuensi (f) adalah banyaknya osilasi atau getaran per detik [Hz] • Periode (T) adalah waktu yang dibutuhkan untuk menempuh satu panjang gelombang [s]
T (sec) = 1/f
waitbutwhy.com
GELOMBANG MEKANIK § § § §
è membutuhkan medium untuk merambat Medium gelombang mekanik dapat berupa zat padat, zat cair, atau gas Kecepatan rambat gelombang dipengaruhi oleh kerapatan medium & temperatur Contoh: Gelombang suara atau bunyi, gelombang pada tali, gelombang slinki (pegas), gelombang pada permukaan air, dan gelombang seismik
Spektrum Gelombang Mekanik
www.olympus-ims.com
Berdasarkan frekuensi maka bunyi dibedakan dalam 3 daerah frekuensi yaitu: 1. 0-16 Hz (20 Hz) : infrasonik, yang termasuk getaran tanah, gempa bumi 2. 16-20.000 Hz : sonik, yaitu daerah frekuensi yang dapat didengar oleh manusia 3. > 20.000 Hz : ultrasonik, frekuensi ini dalam bidang medis dipergunakan untuk pengobatan, destruksi/penghancuran, dan diagnosis. Memiliki energi dan daya tembus jaringan yang cukup tinggi
Gelombang Mekanik: Gelombang Suara Gelombang suara disebabkan oleh getaran benda yang memancar keluar dari sumbernya ke segala arah.
waitbutwhy.com
Benda yang bergetar merapat-renggangkan molekul udara di sekitarnya. imgur.com/gallery/5AulI
Frekuensi dan Intensitas www.allaboutmusictheory.com
Pitch (nada) Tergantung frekuensi
Nada rendah
Nada tinggi
Frekuensi Sama
Intensitas (keras/lembut) Tergantung amplitudo
Intensitas Sama
Lembut
courses.lumenlearning.com
Keras
Frekuensi Suara •
Manusia: 20 Hz to 20,000 Hz – percakapan : 125 to 8000 Hz – < 20 Hz : infrasonik – > 20,000 Hz : ultrasonik
• • • • •
Anjing : 50 Hz - 45,000 Hz Kucing : 45 Hz - 85,000 Hz Kelelawar : sampai 120,000 Hz Lumba-lumba : 200,000 Hz Gajah : 5 Hz - 10,000 Hz
www.sickkids.ca
Intensitas Suara • • • • • • • • • • • www.123rf.com
Ambang pendengaran Berbisik Percakapan normal Jalan raya ramai Vacuum cleaner Bajaj Wahana permainan anak Video Game Arcade Konser musik MP3 player (volume max) Ambang rasa sakit
0 dB 20 dB 60 dB 70 dB 80 dB 90 dB 91 dB 95 dB 100 dB 100 dB 130 dB
Nilai Ambang Batas Kebisingan Permenaker No.13/Men/X/2011
Jam / hari
Level suara
8
85 dB
4
88 dB
2
91 dB
1
94 dB
0.5
97 dB
0.25
100 dB
0.125 (7.5m)
103 dB
0.06 (3.6m)
106 dB
0.03 (2m)
109 dB
*setiap naik 3 dB, durasi menjadi setengah
Kecepatan Rambat Suara •
Kecepatan rambat dipengaruhi oleh kerapatan medium & temperatur
•
Gelombang suara merupakan gangguan tekanan udara yang merambat melalui interaksi partikel medium. Kecepatan suara pada medium berbeda pada kondisi standar: – Udara : 344 m/s – Air : 1,432 m/s – Kayu : 3,962 m/s – Besi : 5,029 m/s è Kerapatan medium: padat > cair > gas
• Kecepatan suara di udara pada temperatur berbeda pada kondisi standar: – 0o C à 331 m/s – 30o C à 349 m/s
𝑐 = 331.5 + 0.60 T (°C)
giphy.com
Telinga dan Pendengaran Getaran suara datang ke telinga
Sinyal listrik dikirimkan ke otak melalui saraf
Dipantulkan oleh daun telinga
Menggetarkan sel rambut
Masuk ke liang telinga
Getaran beresonansi dengan membran basilar
Menggetarkan gendang telinga
Menggetarkan cairan di dalam kokhlea
Penyamaan impedansi oleh tulang-tulang osikel anatomy-medicine.com
Peta Frekuensi Natural Sepanjang Kokhlea
1 f = 2l
www.britannica.com/science/ear/Transmission-of-sound-within-the-inner-ear
147.162.36.50/cochlea/cochleapages/theory/bm/bm.htm
F m
f : frekuensi natural l : lebar membran basilar F : ketegangan membran basilar m : massa cairan yang ikut bergetar
Ultrasound
www.halodoc.com
Penggunaan: • Membersihkan lensa/optik • Disintegrasi biologis/bakteri • Diagnostik: USG, Doppler USG • Terapi: lithotripsy (menghancurkan batu ginjal), High Intensity Focused Ultrasound (membunuh sel kanker) • Acoustic Microscopy (mencitra bagian dalam material opak)
www.cirse.org
www.binghamton.edu
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK Gelombang yang energinya dibawa oleh medan listrik (elektro) dan medan magnet (magnetik) yang dapat menjalar melalui ruang hampa (tanpa medium) § § §
§
Merupakan gelombang transversal Dapat terpolarisasi Cepat rambat bergantung pada sifat-sifat listrik & magnetik medium yang ditempuhnya Ex: Gelombang cahaya, gelombang radio, microwaves giphy.com
Spektrum Gelombang Elektromagnetik
© 2000 Microsoft Clip Gallery
Merah, Jingga, Kuning, Hijau, Biru, Nila, Ungu Semakin tinggi frekuensi à semakin tinggi energi à panjang gelombang rendah à semakin bersifat destruktif à kerusakan pada sel (ionisasi à radikal bebas)
Kecepatan Gelombang Elektromagnetik •
Persamaan matematik: c = λ x f – Kecepatan cahaya (c) adalah konstanta yang dipengaruhi oleh medium – Panjang gelombang (λ) berubah tergantung frekuensi (f)
•
Kecepatan di ruang vakum: 300,000 km/detik
•
Kecepatan di material lain: Apakah lebih lambat di medium udara, air, kaca?
Gelombang EM – Microwave § §
§ §
Gelombang mikro adalah gelombang radio dengan frekuensi > 300 MHz Jika gelombang mikro diserap oleh sebuah benda, maka ada konversi ke energi panas dan didistribusikan ke sekitarnya Aplikasi: memanaskan makanan, diathermy gelombang mikro Memiliki penetrasi yang dangkal
www.btlnet.com
www.physioequipment.co.uk
Gelombang EM – Infra Merah § Memiliki frekuensi lebih rendah dari spektrum cahaya merah. Panjang gelombang 700 – 1400 nm (NIR) § Hukum Radiasi Benda Hitam (asas Black): § Setiap benda dengan temperatur >0 Kelvin pasti memancarkan sinar inframerah, dihasilkan oleh elektron dalam molekul-molekul yang bergetar § Jumlah sinar inframerah yang dipancarkan bergantung pada suhu dan warna benda § Aplikasi: meningkatkan sirkulasi mikro akibat panas, termometer inframerah, termografi, NIR spectroscopy § Inframerah dekat (NIR) memiliki panjang gelombang yang lebih rendah (frekuensi lebih tinggi) dan penetrasi lebih dalam dibandingkan inframerah jauh (FIR)
backpainsolute.com
Gelombang EM – Cahaya Tampak § §
§
§
Radiasi elektromagnetik yang dapat dideteksi oleh manusia (mata) Panjang gelombang bervariasi bergantung warnanya, 440 nm (ungu) hingga 700 nm (merah) Warna objek dapat terlihat tergantung spektrum cahaya yang dipantulkan ke mata Aplikasi biomedis: Fiberoptic in endoscopy, LASER surgery, mikroskop konvensional, cek dilatasi pupil
Shirt looks red White light Shorts look blue
Cahaya Tampak: Warna •
Warna – Cahaya Putih merupakan campuran dari semua warna dari spektrum cahaya tampak – Objek hitam menyerap semua spektrum cahaya tampak dan tidak ada yang dipantulkan
•
Warna Utama Cahaya
– Tiga warna yang dapat dikombinasikan untuk menghasilkan warna cahaya lainnya – Red + blue + green = white light
•
Warna Komplemen dari Cahaya
– Kombinasi dua warna komplemen menghasilkan white light: Magenta, Cyan, Yellow
•
Pigmen Warna – Menyerap warna komplemen dari cahaya – Yellow + cyan + magenta = black
GELOMBANG EM - ULTRAVIOLET (UV) § § §
§
§
Rentang frekuensi 1015 - 1016 Hz UV dapat dihasilkan oleh atom atau molekul dalam nyala listrik Matahari juga merupakan sumber sinar UV yang merangsang tubuh manusia menghasilkan vitamin D Intensitas paparan sinar UV yang tinggi dapat menyebabkan kerusakan kulit seperti kanker dan sunburn Aplikasi: sterilisasi alat, fototerapi untuk bayi kuning www.researchgate.net/publication/260197217_Ultraviolet_Radiation_in_Wound_Care_Sterilization_and_Stimulation/figures?lo=1
Alat Optik: Cermin • Cermin datar – Bayangan maya & tegak
• Cermin Cekung (konveks) – konvergensi berkas cahaya – memperbesar citra
• Cermin Cembung (konkaf) – divergensi berkas cahaya – memperkecil citra © 2000 Microsoft Clip Gallery
Alat Optik: Lensa Lensa Konveks
Lensa Konkaf
Konvergensi berkas cahaya Memperbesar objek 𝑑𝑖𝑜𝑝𝑡𝑟𝑖 =
1 𝑝𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑖𝑡𝑖𝑘 𝑓𝑜𝑘𝑢𝑠
Divergensi berkas cahaya Memperkecil objek
Refraksi Pada Penglihatan Normal Manusia Lensa : 12 dioptri Kornea : 42 dioptri
Jarak fokus mata ≃ 17mm
Media refraksi mata manusia: kornea - aqueous humor - lensa - viterous humor
Akomodasi Lensa
Sherwood,L. (2012).Human physiology:From cells to systems
Modul Ilmu Biomedik Dasar
2. Biomekanika
BIOMEKANIKA
image.redbull.com
www.healthworks.my
images.elephantjournal.com
Definisi Mekanika
Biomekanika
cabang ilmu dari bidang ilmu fisika yang mempelajari gerakan dan penyebabnya serta perubahan bentuk suatu materi yang diakibatkan oleh gaya.
ilmu terapan menggunakan konsep fisika dan teknik untuk menjelaskan gerakan pada berbagai macam bagian tubuh dan gaya yang bekerja pada bagian tubuh pada aktivitas sehari-hari.
www.elmodenahs.org biomec.upc.edu
Ruang Lingkup Penerapan Biomekanika 1. 2. 3. 4.
Developmental Biomechanics Biomechanics of Exercise / Sports Rehabilitation Mechanics / Engineering Orthopedic Engineering
Statika dan Dinamika Mekanika benda padat Mekanika
Mekanika deformasi
Statika Kinematika Dinamika Kinetika
Mekanika fluida biomechanics.stanford.edu/statics
Statika
membahas gaya-gaya yang bekerja pada saat berada di titik/posisi ekuilibrium
Kinematika membahas sifat/karakteristik gerakan tanpa memperhatikan penyebabnya Kinetika
membahas gaya-gaya yang menyebabkan benda bergerak atau diam
www.gltgolf.com
Sistem Muskuloskeletal • Tulang sebagai komponen pasif untuk menyangga beban tubuh • Otot sebagai komponen aktif yang menggerakkan tulang • Otot melekat ke tulang melalui jaringan ikat tendon
Gerakan kontraksi akibat tarik menarik antara filamen aktin dan miosin pada jaringan otot www.msdmanuals.com Cameron (1999) Physics of The Body
Sistem Pengungkit Keadaan Setimbang: (Hk I Newton)
Σ𝐹 = 0
Σ𝜏 = 0
Tipe 1 : Titik Tumpu (F) di antara Gaya Beban (W) dan Gaya Ungkit (M) Tipe 2 : Gaya Beban (W) di antara Titik Tumpu (F) dan Gaya Ungkit (M) Tipe 3 : Gaya Ungkit (M) di antara Titik Tumpu (F) dan Gaya Beban (W) W = force (weight) Cameron (1999) Physics of The Body
F = fulcrum point M = muscular force
Contoh: Otot Bisep dan Deltoid
Cameron (1999) Physics of The Body
QUIZ! Posisi mana yang membutuhkan kekuatan otot lebih besar?
Biomekanika Otot Bisep dan Deltoid
Cameron (1999) Physics of The Body
H = berat lengan = 15N W1 = berat lengan = 45N
Σ𝜏 = 0
W=W2 = berat beban = 20N ⍺ = sudut tendon deltoid = 16°
Σ(𝐹. 𝑙) = 0 0.04𝑀 = 0.14𝐻 + 0.30𝑊
Σ𝜏 = 0 0.18𝑇𝑠𝑖𝑛 ∝ = 0.36𝑊? + 0.72𝑊C 𝑇=
2𝑊? + 4𝑊C 𝑠𝑖𝑛 ∝
𝑇=
2(45𝑁) + 4(20𝑁) = 616 𝑁 sin(16)
𝑀 = 3.5𝐻 + 7.5𝑊 𝑀 = 3.5 15𝑁 + 7.5 20𝑁 = 202.5𝑁
Kestabilan dan Pusat Gravitasi Tubuh Pusat gravitasi tubuh (center of gravity) adalah titik semu, dimana pusat massa tubuh (center of mass) mengalami gaya gravitasi. Lokasi cg orang dewasa terletak pada pelvis di depan bagian atas depan sacrum, 58% tinggi seseorang diukur dari tanah. Untuk menjaga kestabilan, proyeksi vertikal dari cg harus berada di area yang diarsir. Menggunakan tongkat (memperluas area arsir) dan merendahkan titik cg juga meningkatkan kestabilan tubuh.
Cameron (1999) Physics of The Body Egoyan & Moistsrapishvili 2013 The General Science Journal
courses.lumenlearning.com
Pergesaran Pusat Gravitasi Tubuh
Cameron (1999) Physics of The Body
www.circleofwellnessrockford.com
outsidedads.com/how-to-load-a-backpack opentextbc.ca/physicstestbook2/chapter/ forces-and-torques-in-muscles-and-joints
•
Lokasi pusat gravitasi bergeser sesuai pose tubuh dan beban yang diterima
•
Kondisi kelebihan beban dan postur yang buruk menggeser titik cg ke lokasi yang tidak alami dan harus dikompensasi dengan ketegangan otot berlebih secara terus menerus
Usaha (Work), Daya (Power), Energi Usaha (W) = Gaya (F) x Jarak (r) [Joule] Daya (P) = Usaha (W) / Waktu (t) [Watt] Energi Kinetik (Ek) = ½ x Massa (m) x Kecepatan2 (v2) Energi Potensial (Ep) = Massa (m) x Gravitasi (g) x Tinggi (h) [Joule]
opentextbc.ca/physicstestbook2/chapter/forces-and-torques-in-muscles-and-joints
Mengangkat Beban
Quiz! Bagaimana cara mengangkat beban yang baik?
www.youtube.com/watch?v=okyLBZz3SFw
Gerakan Translasi dan Rotasi Parameter
Translasi
Rotasi
Jarak
s
θ
Kecepatan
v
ω
Percepatan
a
α
TORSI (TORQUE) Torsi (τ) = Gaya (F) x Jarak (r) x sin θ GAYA SENTRIFUGAL / SENTRIPETAL Fs = Massa (m) x Kecepatan (v) 2 / Jarak (r) Fs = Massa (m) x Kecepatan rotasi (ω) 2 x Jarak (r)
tenor.com
Gaya Gesek Gaya gesek adalah gaya yang berarah melawan gerak benda. Ø muncul apabila dua buah benda bersentuhan Ø gaya gesek antara dua buah benda padat adalah gaya gesek statis dan kinetis Ø Gaya gesek statis > kinetis
𝐹O = μN Cameron (1999) Physics of The Body
Cameron (1999) Physics of The Body
Aplikasi gaya gesek pada tubuh: • Berjalan / berlari (perlu gaya gesek min 0,15W) • Persendian (cairan synovial) • Mengunyah dan menelan (cairan saliva) • Pergerakan jantung, paru, usus (mukus)
KINEMATIKA SENDI Sendi Geser: persendian antar tulang karpal
Sendi Putar: sendi pada tulang atlas
Sendi Pelana: sendi pada ruas telapak tangan
Sendi Engsel: sendi pada tulang lutut dan siku
Sendi Gulung: tulang pengumpul dengan hasta
Sendi Peluru: sendi pada tulang paha dan bahu learntech.uwe.ac.uk
Berjalan dan Berlari
QUIZ! Parameter apa saja yang perlu diperhatikan untuk mengoptimalkan gerak berjalan dan berlari? biomechanicsforeverybody.wordpress.com
Gaya Tumbukan Saat tumbukan, terjadi pengurangan kecepatan secara drastis dan singkat sehingga mengakibatkan gaya besar
Hukum Kedua Newton Gaya (F) = Massa (m) x Percepatan (a) Gaya (F) = laju perubahan momentum = Impuls (I)
∆𝑣 ∆(𝑚𝑣) Σ𝐹 = 𝑚𝑎 = 𝑚 = ∆𝑡 ∆𝑡 Kecepatan (v) = Perubahan jarak (s) / satuan waktu (t) Percepatan (a) = Perubahan kecepatan (v) / satuan waktu (t)
Sievänen 2007 PLoS Medicine
Whiplash injury Umumnya dikaitkan dengan kecelakaan kendaraan, dimana terjadi hiperekstensi dari leher dan diikuti pantulan hiperfleksi. Whiplash injury menyebabkan sakit leher yang dapat merambat sampai punggung, kepala, lengan, dan dada. Hal ini disebabkan oleh jaringan otot di sekitar leher mengalami kekakuan (spasme).
Inersia menggambarkan kecenderungan benda untuk mempertahankan gerakan yang sedang dilakukan (kelembaman) www.villagehealth.com.au/treatments/whiplash
Semakin besar massa, semakin besar inersia
Aksi-Reaksi Hukum Ketiga Newton Setiap aksi akan menimbulkan reaksi, jika suatu benda memberikan gaya pada benda yang lain maka benda yang terkena gaya akan memberikan gaya yang sama besarnya dengan gaya yang diterima dengan arah berlawanan
collegephysicsanswers.com
courses.lumenlearning.com
www.khanacademy.org www.deardoctor.com
Modul Ilmu Biomedik Dasar
3. Mekanika Fluida & Hukum Gas
Pemanfaatan Ilmu
Marieb & Hoehn, Human Anatomy & Physiology 9th Edition
Sistem Pernapasan
Yourdictionary.com
Sistem Urinari
Marieb & Hoehn, Human Anatomy & Physiology 9th Edition
Sistem Kardiovaskular
Pemanfaatan Ilmu
Alodokter.com
Sphygmomanometer
The Heart Foundation
Atherosclerosis
https://www.sciencedirect.com/topics/m edicine-and-dentistry/gas-exchange
Pertukaran Gas pada Alveolus
Fluida: Definisi • Fluida à zat apapun yang dapat mengalir. • Fluida terbagi menjadi dua jenis: gas dan cairan. • Fluida diidentikkan dengan 1. kompresibilitas/kemampuan mampat. Tekanan suatu fluida meningkat ketika dimampatkan, mencoba mempertahankan volume aslinya. 2. kekentalan/viskositas.
Jenis Fluida Fluida
grc.nasa.gov
Cairan
Gas
• Mengisi ruang;
• Mengisi ruang betapapun besarnya, selama tidak ada kebocoran (perbedaan tekanan); • Bergerak secara acak dengan kecepatan tinggi; • Kompresibel (mampu mampat) • Mempunyai massa janis/densitas yang seragam di setiap bagian ruangnya.
• Mengikuti bentuk dari bejana/ruangnya; • Inkompresibel • Mempunyai volume tertentu
Hukum Kinetik Gas Respirasi Hukum Boyle 𝑃𝑉 = konstan
Hukum Gas Ideal WU = konstan
Hukum Charles U = konstan
Menggabungkan konstanta Avogadro & konstanta Boltzmann
V
𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇
V
Hukum Guy-Lussac W = konstan V
P V n R T
= tekanan (Pa) = volume (m3) = jumlah molekul (mol) = konstanta gas (8.314 Nm/mol.K) = temperatur
Hukum Boyle
Biomedicalkey.com
63
Hukum Boyle 𝑃? 𝑉? = 𝑃C 𝑉C
Inspirasi Ekspirasi
Hukum Boyle pada Pernafasan
Marieb & Hoehn, Human Anatomy & Physiology 9th Edition
Mekanika Fluida: Hukum Poiseuille (Persamaan Hagen-Poiseuille) 8𝜇𝐿𝑄 Δ𝑃 = 𝜋𝑅^ Δ𝑃 L 𝜇 Q R
= perbedaan tekanan antara dua ujung (Pa), = panjang pipa (m), = viskositas dinamis (Pa.s or N.s/m2 or kg.m/s), = debit volumetrik (m3/s) = jari-jari pipa (m)
Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
Mekanika Fluida: Hukum La Place 2𝑇 𝑃= 𝑅 𝑃 T R
= tekanan [N/m2] = tegangan permukaan [N/m] = jari-jari [m]
A
Aplikasi pada alveolus
B
Hukum LaPlace
Biomedicalkey.com
67
Perilaku Fluida Laminer vs. turbulen
cvphysiology.com
Perilaku Fluida Laminer vs. turbulen
𝑅𝑒 = Re ρ v l µ ν
`ab c
=
ab d
• Laminer • Transisi • Turbulen
= bilangan Reynold, = massa jenis fluida (kg/m3), = kecepatan fluida (m/s), = panjang (m), = viskositas dinamis fluida (Pa.s or N.s/m2 or kg.m/s), = iskositas kinematis fluida (m2/s).
: Re < 2300 : 2300 < Re < 4000 : Re > 4000
Aliran Darah pada Pembuluh Kapiler (Gaya Starling)
S-cool.uk Tekanan Hidrostatis • Tekanan pada pembuluh kapiler akibat dari fluida di dalam; • Cenderung mendorong keluar dari pembuluh kapiler. Tekanan Onkotik (tekanan osmosis koloid) • Cenderung mempertahankan fluida di dalam pembuluh akibat dari konsentrasi yang lebih tinggi dari lingkungan.
70
Aliran Darah pada Pembuluh Kapiler (Gaya Starling) • Filtrasi • Penyerapan • Homeostasis NFP 𝑃h 𝑃iO ΠW ΠiO
: NFP > 0 : NFP < 0 : NFP = 0
= total tekanan filtrasi, = tekanan hidrostatis kapiler, = tekanan hidrotatis interstisial, = tekanan osmosis koloid, = tekanan osmosis interstisial
Khanacademy.org
71
Pengukuran Tekanan Darah Turbelensi aliran darah selepas tekanan pada manset dilepas menghasilkan bunyi Korotkoff, sehingga tekanan sistolik dan diastolik darah dapat ditentukan.
Faculty.pasadena.edu
Modul Ilmu Biomedik Dasar
4. Biolistrik
Biolistrik Eksperimen Ringer: dua jantung, satu diletakkan pada air keran dan satu pada air terdistilasi Hanya satu jantung yang berhenti berdetak. Yang mana dan mengapa? Bagaimana biolistrik "dihasilkan" di dalam tubuh ? Apa komponen dasar rangkaian listrik ? Bagaimana memodelkan kelistrikan tubuh ?
Penemuan Biolistrik
Luigi Galvani 1780 mulai mempelajari kelistrikan pada tubuh hewan 1786 kedua kaki katak terangkat ketika diberikan aliran listrik melalui konduktor
Asal Biolistrik: Potensial Membran • • •
•
Kelistrikan pada tubuh terjadi melalui aliran ion (rangkaian elektronik melalui aliran e-) Ion: Sodium Na+, Potasium K+, Klorin Cl-, Kalsium Ca2+ Permeabilitas Ion diregulasi melalui: – – –
Difusi Pompa Ion (aktif) Kanal Ion
–
Pertukaran Ion
Konsep penting: – – – –
Potensial istirahat Potensial aksi Depolarisasi Hiperpolarisasi
Pump-Leak Model Membran Potensial Istirahat Gradien Konsentrasi
Pompa Ion
Gradien potensial
Kanal Ion Na+, K+, Cl•
•
Interaksi dari “pompa ion” dan “kanal ion” menghasilkan potensial membran yang lebih negatif (intraselular terhadap ekstraselular) Dipengaruhi oleh gradien konsentrasi dan gradien potensial (gradien elektrokimia)
droualb.faculty.mjc.edu
Mengukur Konsentrasi Ion Persamaan Nernst Equilibrium potensial: electrical driving force = chemical driving force
Persamaan Goldman-Hodgkin-Katz
droualb.faculty.mjc.edu
Membran potensial yang dipengaruhi oleh tiga ion utama K+, Na+, Cl-
R : konstanta gas T : temperatur absolut F : konstanta Faraday PX : permeabilitas membran dari ion X [X]in and [X]out : konsentrasi internal dan eksternal dari ion X
doctorlib.info
! Pentingnya asupan ion (elektrolit) tubuh selain cairan
Potensial Aksi
40 –
-60 –
Potensial berjenjang → depolarisasi membran mencapai nilai ambang → inisiasi potensial aksi → depolarisasi, ion Na+ mengalir ke dalam sel dengan cepat dalam jumlah banyak → potensial membran naik dengan cepat + 40 mVolt → repolarisasi, ion K+ mengalir ke luar sel menyebabkan potensial membran kembali negatif → hiperpolarisasi, terus negatif hingga melampaui potensial istirahat → kembali ke kesetimbangan Potensial aksi (berlangsung < 1 milidetik) merupakan fenomena “ALL OR NONE” Jika nilai ambang tercapai, peningkatan waktu dan amplitudo potensial aksi akan selalu sama, tidak peduli intensitas dari rangsangan awal.
Perambatan Potensial Aksi
Nodus ranvier
https://brainly.com/question/10829739
Perambatan potensial aksi jauh lebih cepat pada axon bermielin
Komponen Dasar Rangkaian Listrik •
Resistor R
•
Kapasitor C
•
Induktor L
•
Impedansi Z: Total hambatan terhadap arus listrik dalam rangkaian
L
Z
Impedansi • Impedansi Z: à Total hambatan terhadap arus listrik dalam rangkaian
Hukum Ohm Beda potensial (V, volt) berbanding lurus terhadap kuat arus (I, ampere) dan hambatan (R, ohm)
Hambatan (R, ohm) berbanding lurus terhadap panjang penghantar (L, meter) dan berbanding terbalik terhadap luas permukaan penghantar (A, meter2)
Hukum Kirchhoff
Jumlah arus yang masuk melalui satu titik = Jumlah arus yang keluar melalui satu titik
Model Listrik Akson rambatan potensial aksi
http://news.emory.edu
ri rm cm ro
: resistansi di dalam akson : resistansi membran : kapasitansi membran : resistansi di luar akson
Model Membran Plasma (Cole-Cole Model)
Kapasitansi analog dengan volume intraselular, Resistansi analog dengan volume ekstraseluar
Ketika sinyal frekuensi radio dipaparkan pada lingkungan sel, membran plasma menjadi dielektrik dari kapasitor
Dielektrik adalah isolator listrik yang dapat dikutubkan dengan cara ditempatkan dalam medan listrik
Sinyal Biolistrik
elektroneurogram (ENG) → untuk mendiagnosis miastenia gravis elektroretinogram (ERG) → perubahan pigmen retina elektrogastrogram (EGG) → aktivitas listrik akibat gerakan peristaltik usus
Sinyal Biolistrik pada Jantung Elektrokardiografi
P : gelombang yang timbul karena depolarisasi atrium QRS : merepresentasikan depolarisasi ventrikel T : gelombang yang timbul oleh repolarisasi ventrikel
www.cvphysiology.com/Arrhythmias/A009.htm
www.adinstruments.com/support/knowledge-base/what-correct-electrode-placement-conventional-ecg-recording
Sinyal Biolistrik pada Otot Elektromiografi
Elektromiografi (EMG) : teknik untuk mengevaluasi dan rekaman aktivitas listrik yang dihasilkan oleh otot rangka. Sinyal dapat dianalisis untuk mendeteksi kelainan medis, tingkat aktivasi, perintah rekrutmen atau untuk menganalisa biomekanik gerakan manusia atau hewan. Aktual: aplikasi pada prostesis robotik
Sinyal Biolistrik pada Otak Elektroensefalografi
Sinyal EEG memiliki amplitudo yang sangat kecil (orde mikrovolt) karena aktivitas listrik otak diukur di permukaan kulit, melalui tulang tengkorak. Sangat rentan terhadap noise dan artefak dengan amplitudo lebih besar
Sengatan Listrik!
Sengatan listrik berbahaya jika memiliki arus (I) yang besar, bukan tegangan (V) yang tinggi. Arus bolak-balik (AC) memiliki efek yang lebih merusak dibandingkan arus searah (DC).
Aplikasi dalam Kesehatan
Pacemaker
medlineplus.gov
www.medgadget.com
nusneurointerest.wordpress.com
Prostesis Lengan Robot www.cochlear.com
Defibrillator
www.thejournal.ie
Implan Sensorik
Deep Brain Stimulation
Modul Ilmu Biomedik Dasar
5. Termodinamika
Termodinamika di Ilmu Kesehatan Mengapa dan bagaimana suhu tubuh dipertahankan pada kisaran 36.5-37.5oC?
Bagaimana cara inkubator bayi bekerja?
Termodinamika Ilmu yang mempelajari perubahan energi pada suatu sistem
Air panas di dalam termos
Merebus air dalam panci dalam keadaan tertutup
Merebus air dalam panci dalam keadaan terbuka
Hukum Termodinamika 0: Temperatur Jika dua sistem berada di dalam kesetimbangan termal, kedua sistem terebut mempunyai temperatur yang sama. Jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain
Contoh aplikasi dalam dunia kesehatan: Pengukuran suhu tubuh menggunakan termometer raksa
Hukum Termodinamika I Kekekalan Energi “Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya bisa diubah bentuknya saja” (Gibbs’ Law) Seluruh kalor yang diterima atau dilepas oleh benda akan dijadikan usaha ditambahkan dengan perubahan energi. q =ΔU + w ΔU = perubahan energy, q = Kalor, W = energi/usaha
Keseimbangan Energi (Energy Balance) • Agar mencapai keseimbangan energi dan berat badan yang konstan, energi masukan (dalam bentuk kalori makanan) harus sama dengan energi keluaran. • Energi keluaran dapat berupa kerja eksternal (seperti berjalan/berlari) dan kerja internal (kerja jantung memompa darah atau kerja sistem pencernaan).
Hukum Termodinamika I: Kekekalan Energi
Sherwood, Human Physiology 2014
Keseimbangan Energi
Positive Energy Balance Increase in Body Weight
Neutral Energy Balance Maintain in Body Weight
Negative Energy Balance Decrease Body Weight
OBESITAS
terjadi apabila kalori makanan yang dikonsumsi melebihi yang dikeluarkan/dibakar. Kelebihan energi disimpan dalam bentuk jaringan lemak, yang jika dalam jumlah banyak berefek negatif terhadap kesehatan.
Sherwood, Human Physiology 2014
Sherwood, Human Physiology 2014
Keseimbangan Energi dan Regulasi Temperatur
Manusia kebanyakan berada di lingkungan yang relatif dingin dari suhu tubuh Panas masukan (heat input) harus seimbang dengan panas keluaran (heat output) untuk menjaga kestabilan suhu tubuh Sherwood, Human Physiology 2014
Faktor-faktor yang mempengaruhi Evaporasi • Luas Permukaan • Aliran Darah • Temperatur sekitar • Kelembaban Relatif lingkungan
Modul Ilmu Biomedik Dasar
TERIMA KASIH Departemen Fisika Kedokteran, Fakultas Kedokteran UI Klaster Medical Technology, IMERI-FKUI
