Arsip

Arsip Penulis

Termodinamika

Pengertian Termodinamika

Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = ‘panas’ and dynamic = ‘perubahan’) adalah fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal.

Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi (kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan istilah “ termodinamika “ biasanya merujuk pada termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan, proses “super pelan”. Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam termodinamika  tak-setimbang.

Karena termodinamika  tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika  setimbang seharusnya dinamakan termostatik.

Hukum termodinamika kebenarannya sangat umum, dan  hukum-hukum ini tidak bergantung kepada rincian dari interaksi atau sistem yang diteliti. Ini berarti mereka dapat diterapkan ke sistem di mana seseorang tidak tahu apa pun kecual perimbangan transfer energi dan wujud di antara mereka dan lingkungan. Contohnya termasuk perkiraan Einstein tentang emisi spontan dalam abad ke-20 dan riset sekarang ini tentang termodinamika benda hitam.

Konsep Dasar dalam  Termodinamika

Pengabstrakan dasar atas termodinamika adalah pembagian dunia menjadi sistem dibatasi oleh kenyataan atau ideal dari batasan. Sistem yang tidak termasuk dalam pertimbangan digolongkan sebagai lingkungan. Dan pembagian sistem menjadi subsistem masih mungkin terjadi, atau membentuk beberapa sistem menjadi sistem yang lebih besar. Biasanya sistem dapat diberikan keadaan yang dirinci dengan jelas yang dapat diuraikan menjadi beberapa parameter.

Sistem Termodinamika

Sistem termodinamika adalah bagian dari jagat raya yang diperhitungkan. Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan sistem dengan jagat raya, yang disebut lingkungan. Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan pada sifat batas sistem-lingkungan dan perpindahan materi, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan.

Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan:

sistem terisolasi:

  • sistem terisolasi adalah tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkunganwadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.
  • sistem tertutup: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:

~ pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.

~ pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

  • sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.

Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.

Keadaan Termodinamika

Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan, ini disebut dalam keadaan pasti (atau keadaan sistem).

Untuk keadaan termodinamika  tertentu, banyak sifat dari sistem dispesifikasikan. Properti yang tidak tergantung dengan jalur di mana sistem itu membentuk keadaan tersebut, disebut fungsi keadaan dari sistem. Bagian selanjutnya dalam seksi ini hanya mempertimbangkan properti, yang merupakan fungsi keadaan.

Jumlah properti minimal yang harus dispesifikasikan untuk menjelaskan keadaan dari sistem tertentu ditentukan oleh Hukum fase Gibbs. Biasanya seseorang berhadapan dengan properti sistem yang lebih besar, dari jumlah minimal tersebut.

Proses Termodinamika

Kalor (Q) merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu. Berkaitan dengan sistem dan lingkungan, bisa dikatakan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah dari sistem ke lingkungan atau energi yang berpindah dari lingkungan ke sistem akibat adanya perbedaan suhu. Jika suhu sistem lebih tinggi dari suhu lingkungan, maka kalor akan mengalir dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya, jika suhu lingkungan lebih tinggi dari suhu sistem, maka kalor akan mengalir dari lingkungan menuju sistem.

Jika Kalor (Q) berkaitan dengan perpindahan energi akibat adanya perbedaan suhu, maka Kerja (W) berkaitan dengan perpindahan energi yang terjadi melalui cara-cara mekanis (mekanis tuh berkaitan dengan gerak)… Misalnya jika sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, maka energi dengan sendirinya akan berpindah dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya jika lingkungan melakukan kerja terhadap sistem, maka energi akan berpindah dari lingkungan menuju sistem.

Salah satu contoh sederhana berkaitan dengan perpindahan energi antara sistem dan lingkungan yang melibatkan Kalor dan Kerja adalah proses pembuatan popcorn. Dirimu ngerti popcorn tidak ? biji jagung yang ada bunganya, garis besarnya seperti ini… Biasanya popcorn dimasukkan ke dalam wadah tertutup (panci atau alat masak lainnya). Selanjutnya, wadah tertutup tersebut dipanasi dengan nyala api kompor. Adanya tambahan kalor dari nyala api membuat biji popcorn dalam panci kepanasan dan meletup. Ketika meletup, biasanya biji popcorn berjingkrak-jingkrak dalam panci dan mendorong penutup panci. Gaya dorong biji popcorn cukup besar sehingga kadang tutup panci bisa berguling ria… Untuk kasus ini, kita bisa menganggap popcorn sebagai sistem, panci sebagai pembatas dan udara luar, nyala api dkk sebagai lingkungan. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari lingkungan (nyala api) menuju sistem (biji popcorn).

Adanya tambahan kalor menyebabkan sistem (biji popcorn) memuai dan meletup sehingga mendorong penutup panci (si biji popcorn tadi melakukan kerja terhadap lingkungan). Dalam proses ini, keadaan popcorn berubah. Keadaan popcorn berubah karena suhu, tekanan dan volume popcorn berubah saat memuai dan meletup… meletupnya popcorn hanya merupakan salah satu contoh perubahan keadaan sistem akibat adanya perpindahan energi antara sistem dan lingkungan. Masih sangat banyak contoh lain, sebagiannya sudah gurumuda ulas pada bagian pengantar… Perubahan keadaan sistem akibat adanya perpindahan energi antara sistem dan lingkungan yang melibatkan Kalor dan Kerja, disebut sebagai proses termodinamika.

Energi dalam dan Hukum Pertama Termodinamika

Energi dalam sistem merupakan jumlah seluruh energi kinetik molekul sistem, ditambah jumlah seluruh energi potensial yang timbul akibat adanya interaksi antara molekul sistem. Kita berharap bahwa jika kalor mengalir dari lingkungan menuju sistem (sistem menerima energi), energi dalam sistem akan bertambah.

Sebaliknya, jika sistem melakukan kerja terhadap lingkungan (sistem melepaskan energi), energi dalam sistem akan berkurang…

Dengan demikian, dari kekekalan energi, kita bisa menyimpulkan bahwa perubahan energi dalam sistem = Kalor yang ditambahkan pada sistem (sistem menerima energi) – Kerja yang dilakukan oleh sistem (sistem melepaskan energi). Secara matematis, bisa ditulis seperti ini :

Keterangan :

  • delta U = Perubahan energi dalam
  • Q = Kalor
  • W = Kerja

Persamaan ini berlaku untuk sistem tertutup (Sistem tertutup merupakan sistem yang hanya memungkinkan pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan). Untuk sistem tertutup yang terisolasi, tidak ada energi yang masuk atau keluar dari sistem, karenanya, perubahan energi dalam = 0. Persamaan ini juga berlaku untuk sistem terbuka jika kita memperhitungkan perubahan energi dalam sistem akibat adanya penambahan dan pengurangan jumlah zat (Sistem terbuka merupakan sistem yang memungkinkan terjadinya pertukaran materi dan energi antara sistem tersebut dengan lingkungan).

Aturan tanda untuk Kalor (Q) dan Kerja (W)

Aturan tanda untuk Kalor dan Kerja disesuaikan dengan persamaan Hukum Pertama Termodinamika.

Kalor (Q) dalam persamaan di atas merupakan kalor yang ditambahkan pada sistem (Q positif), sedangkan Kerja (W) pada persamaan di atas merupakan kerja yang dilakukan oleh sistem (W positif). Karenanya, jika kalor meninggalkan sistem, maka Q bernilai negatif. Sebaliknya, jika kerja dilakukan pada sistem, maka W bernilai negatif.

———————————————————

Sumber :

  • Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga
  • Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga
  • Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga
  • J.F. Gabriel, Fisika Kedokteran Jakarta : Penerbit EGC
  • John R. Cameron , Fisika tubuh Manusia Jakarta : Penerbit EGC
  • Fisika Science untuk Keperawatan, Jakarta : Penebit EGC
  • Fisika Kesehatan,  Penerbit UNS
  • Biomekanika


Kategori:Materi Kuliah

Fenomena Tekanan di dalam Tubuh

Tekanan (disimbolkan dengan huruf P) didefenisikan sebagai gaya per satuan luas. Satuannya adalah N/m2, yang di dalam sistim satuan SI dinyatakan dengan Pascal atau Pa. Di dalam dunia medis satuan tekanan dinyatakan dalam millimeter mercuri atau disingkat dengan mmHg. Tekanan atmosfer lingkungan kita adalah 760 mmHg. Atmosfer memiliki tekanan sebesar 1 atm (atm adalah singkatan dari atmosfer). Jadi 1 atm = 760 mmHg. Karena kita hidup di lingkungan atmosfer, maka pengukuran tekanan apapun dihitung relatif terhadap tekanan atmosfer.

Ada sejumlah tempat di dalam tubuh yang tekanannya relatif lebih kecil dari tekanan atmosfer (atau bernilai negatif). Sebagai contoh, ketika kita bernafas (menarik nafas), tekanan di dalam paru-paru kita harus lebih kecil dari tekanan udara luar (atmosfer) agar supaya udara di lingkungan kita dapat mengalir ke dalam paru-paru. Ketika seseorang minum air dari sebuah gelas dengan menggunakan sedotan, tekanan di dalam mulutnya harus jauh lebih kecil dari tekanan atmosfer di sekitar gelas agar air di dalam gelas tersebut dapat mengalir ke dalam mulut.

          Di dalam tubuh kita, jantung berperan sebagai sebuah pompa yang dapat menghasilkan tekanan yang betul-betul tinggi (~100 sampai 140 mmHg) untuk menghasilkan gaya dorong yang besar agar darah dapat didorong mengalir dari paru-paru ke seluruh tubuh melalui arteri. Darah yang telah dialirkan ke seluruh tubuh akan dialirkan kembali ke paru-paru melalui venous (pembuluh darah), oleh karena itu tekanan pada venous harus betul-betul cukup kecil agar darah (khususnya pada bagian tubuh yang paling bawah seperti kaki) dapat disedot kembali ke dalam jantung. Kegagalan dalam menyedot kembali darah yang telah dialirkan ke wilayah kaki ini sering menghasilkan pembengkakan pada pembuluh darah (veins).

Tekanan di dalam tengkorak

Ruang di sekitar otak di dalam tengkorak memiliki sekitar 150 cm3 cairan otak (cerebrospinal fluid disingkat dengan CSF). Cairan otak ini dapat mengalir keluar dari wilayah otak melalui saluran ventrikel (venticle).

Ventricles adalah rongga-rongga berukuran sangat kecil yang menghubungkan ruang otak dengan rongga tulang belakang (spinal column). Aliran secara sirkulatif (bersirkulasi) cairan CSF melalui ventricles dari ruang otak ke rongga tulang belakang dan sebaliknya terjadi secara terus menerus. Jika ventricles mengalami penyumbatan, cairan CSF akan terjebak di dalam ruang otak (tengkorak) sehingga akan meningkatkan tekanan internal tengkorak. Peningkatan tekanan internal tengkorak, pada taraf yang berlebihan akan menyebabkan terjadinya pembesaran tengkorak (kepala membesar secara tidak normal). Pembesaran kepala yang tidak normal ini disebut sebagai hydrocephalus. Kondisi ini sering terjadi pada bayi, dan menjadi permasalahan yang sangat serius. Namun jika gejala ini secara dini dapat diketahui, penanggulangannya dapat dilakukan melalui pembedahan dengan mem-by-pass sistim aliran CSF yang tersumbat dengan teknologi yang ada.

Pengukuran penambahan tekanan CSF tidak dapat dilakukan secara langsung. Metode pengukuran yang lazim dilakukan adalah dengan mengukur panjang lingkaran keliling kepala (tengkorak) yang terletak tepat sedikit di atas kuping. Nilai normal panjang keliling kepala untuk bayi adalah 32 sampai 37 cm. Apabila ukuran ini dilebihi, maka bayi tersebut memiliki kecenderungan terserang hydrocephalus.

Tekanan Pada Mata

Cairan bening di dalam bola mata yang terdapat antara permukaan mata dan retina memiliki tekanan tertentu sehingga dapat menjaga bola mata pada bentuk dan ukuran yang tetap. Dimensi atau bentuk mata sangatlah kritis. Bila dimensinya tidak tepat, mata menjadi tidak dapat melihat. Perubahan 0,1 mm pada diameternya menghasilkan efek (pengaruh) terhadap kejelasan penglihatan. Jangan sekali-kali menekan bola mata terlalu keras karena dapat berakibat fatal dimana tekanan internal mata tidak dapat mengembalikan bola mata ke dalam bentuk semula dan oleh karena itu dapat menyebabkan kebutaan. Tekanan normal cairan bening mata (tekanan mata) berada pada interval 12 sampai 23 mmHg.

Cairan di bagian depan mata tersusun sebagaian besar dari air. Mata secara kontinu menghasilkan cairan, dan oleh sistim pengaliran yang dimilikinya membuat cairan yang berlebihan dapat dibuang dengan baik. Apabila sistim pengaliran ini mengalami penyumbatan sehingga sirkulasi tidak berjalan dengan sewajarnya, maka akan mengakibatkan tekanan di dalam mata menjadi meningkat (bertambah). Peningkatan tekanan ini dapat membatasi suplai darah ke retina mata sehingga mempengaruhi kejelasan penglihatan. Kondisi seperti ini disebut dengan glaucoma. Bila kondisi seperti ini sudah pada taraf yang sangat parah dapat menyebabkan kebutaan. Tekanan yang dihasilkan cairan mata ini (tekanan mata) dapat diukur dengan alat yang diberi nama tonometer.

Tekanan Pada Sistem Pencernaan

Sistim pencernaan memiliki pintu masukan, yaitu melalui mulut dan menuju ke persambungan antara kerongkongan dan lambung (stomach-esophagus junction), dan pintu pengeluaran melalui anus (anal sphincter). Panjang sistim pencernaan manusia dari mulut sampai anus lebih kurang 6 m. Sistim pencernaan dilengkapi dengan katub-katub (valves) yang berperan sebagai pembuka dan penutup sehingga sistim pencernaan berproses dengan sempurna. Katub di dalam usus berperan untuk meratakan penyaluran (pengaliran) makanan di dalamnya. Katub-katub terdapat pada antara lambung dan usus kecil (pylorus; yang berperan untuk menghidari aliran makanan dari usus kecil kembali ke lambung) dan antara usus kecil dan usus besar (valve between small and large intestine). Pada beberapa kejadian aliran penyaluran terbalik dapat saja terjadi, seperti pada saat muntah, aliran makanan berbalik dari yang normalnya.

Tekanan di dalam lambung dan usus (bagian-bagian dari sistim pencernaan) lebih besar dari pada tekanan atmosfer. Makanan yang dimakan (setelah kenyang) meningkatkan tekanan pada sistim pencernaan. Pertambahan tekanan ini ditandai dengan semakin tegangnya kulit perut.

Di samping itu, pada saat makan biasanya udara yang sempat dihirup melalui pernafasan tertahan dan terjebak di dalam tubuh. Udara yang terjebak ini menambah tekanan secara signifikan pada sistim pencernaan. Tekanan di dalam sistim pencernaan dapat juga dibangkitkan oleh gas-gas yang dihasilkan oleh bakteri-bakteri yang terdapat di dalam usus. Gas-gas ini umumnya dikeluarkan dalam bentuk kentut (flatus).

Kadang-kadang suatu bentuk penyumbatan terjadi pada katub antara usus besar dan usus kecil dan membangkitkan tekanan yang berlebihan sehingga menghalangi organ pembuluh darah yang ada di perut untuk mengalirkan darah ke organ-organ penting di dalamnya. Jika tekanan yang terjadi ini menjadi cukup besar akan menghentikan mekanisme sistim aliran darah di dalam perut yang dapat berakibat pada kematian. Suatu teknik intubation (memasukkan pipa kecil melalui hidung, lambung dan usus) biasanya dilakukan untuk mengurangi tekanan tersebut. Jika usaha ini gagal, selanjutnya diatasi dengan melakukan pembedahan. Penambahan tekanan yang besar di dalam usus akan menyebabkan resiko infeksi pada dinding usus, karena tekanan yang besar akan menyebabkan dinding usus cenderung robek atau retak-retak seperti teriris terluka kecil, dan gas-gas yang terjebak di dalam usus akan dengan cepat menyebar dan memasuki luka-luka tersebut. Resiko ini dapat direduksi dengan melakukan pembedahan di ruangan bertekanan tinggi, dimana tekanan ruangan lebih tinggi dari tekanan usus penderita.

Tekanan di dalam kandung kemih

Satu dari tekanan internal tubuh yang juga sangat penting adalah tekanan yang terjadi pada kandung kemih (bladder). Peningkatan tekanan yang terjadi pada kandung kemih adalah akibat adanya akumulasi (pertambahan terus menerus) volume air kencing (urine). Untuk orang dewasa volume maksimum kandung kemih adalah 500 ml dengan tekanan rata-rata 30 cmH2O. Jika kontraksi dinding kandung kemih terjadi, tekanan ini dapat ditingkatkan sampai mencapai 150 cmH2O. Anak-anak lelaki kadang-kadang sering menggunakan cara klasik untuk mengukur seberapa besar tekanan kandung kemihnya dengan melakukan kencing secara vertikal mengarah ke suatu tembok dan mengukur tinggi maksimum semburan yang dicapai. Untuk orang penderita prostatic (saluran kandung kemihnya tersumbat), tekanan kandung kemihnya dapat mencapai lebih 100 cmH2O.

Tekanan di dalam kandung kemih dapat diukur dengan memasukkan suatu catheter yang dilengkapi dengan sensor tekanan ke dalam kandung kemih melalui urethra (saluran keluar urine).

Tekanan pada kandung kemih dapat bertambah pada saat batuk, saat duduk dan pada saat dalam keadaan tegang. Khusus untuk wanita hamil, tekanan pada kandung kemihnya akan bertambah dengan bertambah beratnya janin yang dikandung dan biasanya oleh karena itu ia sering buang air kecil. Pada situasi yang stress pun juga dapat meningkatkan tekanan pada kandung kemih, belajar saat mau ujian membuat anda sering buang air kecil ke toilet. Hal ini disebabkan karena “nerves”.

__________________________________________

  • J.F. Gabriel, Fisika Kedokteran Jakarta : Penerbit EGC
  • John R. Cameron , Fisika tubuh Manusia Jakarta : Penerbit EGC
  • Fisika Science untuk Keperawatan, Jakarta : Penebit EGC
  • Fisika Kesehatan,  Penerbit UNS, Biomekanika
Kategori:Materi Kuliah

Besaran Vektor

Sebagaimana telah disinggung sebelumnya bahwa apabila suatu besaran tidak hanya memiliki besarnya saja akan tetapi juga memiliki arah maka besaran tersebut disebut sebagai besaran vector. Penanganan terhadap besaran vector sangat berbeda dengan penanganan terhadap besaran scalar. Penjumlahan besaran scalar cukup dengan menjumlahkan angka-angka dari nilai besaran tersebut. Pengukuran volume darah merupakan besaran scalar. Bila di ruang penyimpanan darah Palang Merah Indonesia terdapat 3 bungkus labu darah dengan volume masing-masing 200 ml, maka jumlah volume total darah dapat dijumlahkan dengan cara yang sederhana, yaitu: 200 ml + 200 ml + 200 ml = 600 ml. Kita dengan mudah dapat menghitung jumlah total volume darah yang ada, yaitu: 600 ml.

Sangat berbeda halnya bila kita berhadapan dengan besaran vector seperti gaya. Bila seorang perawat mendorong suatu strecher (suatu alat dimana si pasien dapat ditidurkan di atasnya) untuk memindahkan pasien dari kamar rawat yang satu ke kamar rawat yang lain, dibutuhkan gaya yang relatif besar yang biasanya dilakukan oleh 2 orang perawat. Agar kecepatan dorong menjadi besar maka kedua perawat tersebut harus mendorong strecher ke arah yang sama. Jika kedua perawat tersebut mendorong strecher masing-masing berlawanan arah, maka strecher tersebut dapat saja tidak akan berpindah. Katakanlah F1 adalah gaya yang dihasilkan oleh perawat yang pertama yaitu 4 N dan F2 adalah gaya yang dihasilkan oleh perawat yang kedua yaitu 5 N, maka proses penjumlahan vektornya untuk kasus yang searah adalah sebagai berikut :

Bila kedua perawat mendorong strecher ke arah yang sama seperti ditunjukkan pada gambar di atas, maka gaya dorong total yang dihasilkan adalah hasil penjumlahan aljabar langsung dari kedua gaya tersebut, yaitu : 4N + 5N. Dari hasil penjumlahan ini didapatkan gaya dorong total sebesar 9 N.

Bila kedua perawat mendorong strecher dengan arah yang berlawanan (lihat gambar 2), penjumlahan aljabar langsung dapat dilakukan dengan memperhatikan arah kedua gaya. Bila kita menetapkan sebagai acuan arah vector gaya F2 adalah positif (ke arah kanan) maka vector gaya F1 yang arahnya berlawanan (ke arah kiri) harus bernilai negatif sehingga cara penjumlahannya adalah (-4N) + 5N yang menghasilkan gaya dorong total sebesar 1 N. Dari kedua kasus tersebut jelaslah terlihat bahwa penjumlahan kedua besaran vector gaya F1 dan F2 memiliki hasil yang sangat bergantung pada arah masing-masing gaya.

Coba perhatikan kasus dimana gaya F1 membentuk sudut 600 terhadap gaya F2 seperti ditunjukkan pada gambar 3. Pada kasus ini dibutuhkan teknik tertentu yang sesuai dengan aturan penjumlahan vector untuk menyelesaikannya. Untuk menjumlahkan kedua vector gaya tersebut secara aljabar pada arah gaya F2 maka haruslah terlebih dahulu gaya F1 diproyeksikan searah dengan vector gaya F2. Penjumlahan aljabar dua buah vector atau lebih dapat dilakukan apabila vector-vektor tersebut searah atau berlawanan arah. Dalam kasus yang ditunjukkan oleh gambar 3, vector gaya F1 dapat diproyeksikan searah dengan F2. Hasil proyeksi vector gaya F1 ke arah gaya F2 adalah F1 cos 600. Dengan demikian, kedua besaran vector tersebut dapat dijumlahkan secara aljabar (jumlah total besar vector yang searah dengan F2), yaitu:

Sekarang perhatikan yang berikut ini !

Tampak bahwa nilai total gaya pada kasus ketiga ini berbeda dengan nilai total dari dua kasus sebelumnya. Kasus pada gambar 1 menghasilkan total gaya sebesar 9 N, sementara kasus pada gambar 2 menghasilkan total gaya sebesar 1 N dan kasus pada gambar 3 menghasilkan total gaya sebesar 7 N. Artinya, jelaslah bahwa arah dari gaya-gaya yang akan dijumlahkan mempengaruhi nilai hasil penjumlahannya. Teknik cerdik untuk menentukan arah dan besarnya gaya-gaya sangat dibutuhkan pada teknologi pengobatan secara mekanik. Lazim di dalam dunia kesehatan bahwa untuk meluruskan suatu tulang yang bengkok dapat dilakukan dengan menggunakan gaya pemberat dari suatu beban yang digantungkan padanya. Arah gaya yang dihasilkan beban didisain sedemikian rupa sehingga dapat dimanfaatkan secara efesien dan efektif untuk menarik tulang yang akan diluruskan.

Lengan Gaya

Perhatikan sistim neraca lengan yang ditunjukkan pada gambar 4. Pada zaman dahulu alat timbang (neraca) seperti ini digunakan untuk menimbang berbagai jenis bahan obat-obatan, namun oleh karena kemajuan teknologi digital, alat timbang yang digunakan saat ini adalah alat timbang digital yang murni berbasis elektronika. Mari kita pelajari cara kerja alat timbang yang ditunjukkan oleh gambar 4 untuk memahami apa yang dimaksud dengan lengan gaya.

Yang dimaksud dengan lengan gaya adalah jarak antara titik A ke O atau jarak antara B ke O. Titik O adalah titik tumpuan, sementara titik A atau titik B adalah titik pertemuan ujung lengan dengan gaya penariknya. Gaya penarik lengan L1 (lengan A ke O) adalah W1 dan gaya penarik lengan L2 (lengan B ke O) adalah W2. Yang menyebabkan adanya gaya W1 adalah massa beban m1 dan yang menyebabkan adanya gaya W2 adalah massa beban m2. Gaya W1 memaksa sistim neraca berotasi (berputar) berlawanan arah dengan putaran jarum jam dan gaya W2 memaksa sistim neraca berotasi searah putaran jarum jam. “Sesuatu” yang dapat menimbulkan suatu sistim berotasi disebut sebagai “gaya torsi” atau singkatnya disebut torsi (disimbolkan dengan τ ; dibaca “tau”). Torsi didefenisikan sebagai perkalian antara gaya dengan lengan.

Pada sistim neraca lengan (gambar 4) gaya-gaya yang ada adalah W1 dan W2, sedangkan lengan gaya adalah L1 dan L2. Oleh karena itu, torsi yang searah perputaran jarum jam adalah τ2 = W2xL2 dan torsi yang berlawanan dengan arah perputaran jarum jam adalah τ1 = W1xL1. Bila sistim neraca dalam keadaan setimbang

diam maka torsi ke kanan (searah perputaran jarum jam) sama dengan torsi ke kiri (berlawanan arah dengan perputaran jarum jam) dan dituliskan sebagai: τ2 = τ1.

Bila diketahui massa m1 = 2 kg dan panjang lengan neraca masing-masing adalah 0,25 m, maka berapa besarnya m2 agar sistim neraca berada dalam keadaan setimbang diam? Sebagaimana telah diuraikan sebelumnya, syarat keadaan setimbang diam pada neraca lengan adalah besar torsi ke arah kanan harus sama dengan besar torsi ke arah kiri, yaitu : (ambil grafitasi bumi = g)


Kategori:Materi Kuliah

Biomekanika

          Mekanika adalah salah satu cabang ilmu dari bidang ilmu fisika yang mempelajari gerakan dan perubahan bentuk suatu materi yang diakibatkan oleh gangguan mekanik yang disebut gaya. Mekanika adalah cabang ilmu yang tertua dari semua cabang ilmu dalam fisika. Tersebutlah nama-nama seperti Archimides (287-212 SM), Galileo Galilei (1564-1642), dan Issac Newton (1642-1727) yang merupakan peletak dasar bidang ilmu ini.

Galileo adalah peletak dasar analisa dan eksperimen dalam ilmu dinamika. Sedangkan Newton merangkum gejala-gejala dalam dinamika dalam hukum-hukum gerak dan gravitasi.

          Mekanika teknik atau disebut juga dengan mekanika terapan adalah ilmu yang mempelajari peneraapan dari prinsip-prinpsip mekanika. Mekanika terapan mempelajari analisis dan disain dari sistem mekanik.

          Biomekanika didefinisikan sebagai bidang ilmu aplikasi mekanika pada system biologi. Biomekanika merupakan kombinasi antara disiplin ilmu mekanika terapan dan ilmu-ilmu biologi dan fisiologi. Biomekanika menyangkut tubuh manusia dan hampir semua tubuh mahluk hidup. Dalam biomekanika prinsip-prinsip mekanika dipakai dalam penyusunan konsep, analisis, disain dan pengembangan peralatan dan sistem dalam biologi dan kedoteran.

          Pada dasarnya biomekanika adalah cabang ilmu yang relatif baru dan sedang berkembang secara dinamis. Akan tetapi sebenarnya bidang ilmu sudah eksis sejak abad ke lima belas masehi ketika Leonardo Da Vinci (1452-1519) membuat catatan akan siginikansi mekanika dalam penelitian-penelitian biologi yang dia lakukan. Kontribusi dari para peneliti dalam bidang ilmu biologi, kedokteran, ilmu-ilmu dasar, dan teknik mewarnai perkembangan biomekanika akhir-akhir ini.

Gerak dan Gaya

Gaya adalah sebuah konsep yang digunakan untuk menerangkan interaksi fisik dari obyek dengan sekelilingnya. Gaya dalam fisika didefinisikan sebagai kuantitas yang dapat menyebabka perubahan dari state dari suate benda sehingga terjadi percepatan pada benda itu.

Gerakan Tubuh Manusia

Filosof Yunani Aristotle (384-322 SM) adalah orang yang pertama kali melakukan studi secara sistematik terhadap gerakan tubuh manusia. Banyak prinsip yang mendeskripsikan aksi dan karakteristik gemometri dari otot. Walaupun penemuan Aristotle untuk menerangkan gerakan banyak mengandung kontradiksi, usaha awal yang telah ia ristis menjado pondasi bagi studi berikutnya seperti Galen (131-201), Galileo (1564-1643), Borelli (1608-1679), Newton (1642-1727), dan Marey (1830-1904). Studi dari para filosof dan ilmuwan tersebut telah mengakibatkan kita bisa membuktikan bahwa gerakan tubuh manusia merupakan konsekuensi dari interkasi anatara otot dan gaya yang diakibatkan oleh lingkungan sekitar tubuh manusia.

          Seperi yang ditulis oleh Aristotle bahwa bianatang yang berjalan membuat posisisnya berubah dengan menekan apa yang ada dibawahnya. Pernayataan ini menekankan bahwa dalam studi gerakan harus menekankan pada (Higgins, 1985):

  •  Pengkarateran interaksi fisik anatara hewan (manusia) dan lingkungan sekitar.
  •  Menetukan cara hewan (manusia) mengorganisasikan interkasi fisik tersebut.

Dengan kerangka seperti ini maka gerakan tubuh system biologis dapat diakui sebagai hasil interaksi system biologis dengan lingkungan sekelilingnya.  Beberapa faktor berikut turut menentukan interaksi tersebut:

  • Stuktur dari lingkunngan (bentuk dan stabilitas).
  • Medan dari gaya (arah relatif terhadap gravitasi, kecepatan gerakan).
  • Stuktur dari sistem (susunan tulang, aktifitas otot, sususan segment dari tubuh, ukuran, integrasi motorik yang dibutuhkan untuk mendukung postur).
  • Peranan dari keadaan psikologis (level keatifan, motivasi).
  • Bentuk gerakan yang akan dikerjakan (kerangka dari organisasi dari gerakan).

Higgins menyatakan bahwa gerakan adalah bagian yang tak terpisahkan dengan struktur yang mendukungnya dan lingkungan yang mendefinisikannya.

Goniometri

Istilah goniometri berasal dari bahasa Yunani, gonia yang berarti sudut dan metros yang mempunyai makna maengukur. Sedangkan geniometer adalah alat untuk mengukur sudut. Gonimetri berhubungan dengan pengukuran sudut yang dibentuk oleh sgement dari organ tubuh manusia yang dihubungkan oleh sendi. Dalam prakteknya pengukuran sudut dari sendi, dilakukan dengan melekatkan gonio meter pada sgement-segment yang diukur sudutnya. Goniometer dapat digunkan untuk mengukur sudut pada suatu posisi tertentu maupun seacra kontinyu dalam melakukan suatu gerakan.

Pemodelan

Dibutuhkan asumsi-asumsi tertentu untuk membuat penyederhanaan dari sebuah sistem yang kompleks sehingga penyelesaian analitis bisa dicapai. Sebuah model yang lengkap memperhitungkan efek-efek dari keseluruhan bagian penyususn sistem secara detail. Akan tetapi model yang lengkap dan detail sulit diwujudkan dan bila dapat akan sulit menghasilkan solusi dari masalah yang akan diselesaikan.        Tidak selalu mungkin untuk memodelkan system secara lengkap dan bahkan kadang-kadang tidak perlu untuk menyertakan setial detail dari sistem dalam analisis. Sebagai contoh adalah pada hampir semua gerakan tubuh manusia, banyak kelompok otot (muscle) yang terlibat untuk menggerakkan organ-organ tubuh. Akan tetapi untuk keperluan analisis gaya yang terlibat pada sendi dan otot pada suatu gerakan tertentu, pendekatan yang terbaik adalah dengan memprediksi kelompok otot yang mana yang paling aktif dan mengabaikan kelompok otot-otot yang lain.

          Secara umum, pemodelan suatu sistem selalu diawali dengan model yang sederhana. Dari model sederhana ini berangsur-angsur kompleksitasnya ditingkatkan sejalan dengan pemahaman karakterstik system dan dari pengamatan terhdapa model sederhana tersebut. Peneliti dapat merancang model yang cukup sederhana untuk dianalisa sehingga menujukkan fenomena yang diteliti dalam  batas-batas kepuasan tertentu. Dari pengetahuan akan sistem yang dimodelkan sistem sederhana terseebut kemudian disempurnakan. Makin banyak belajar, makin banyak pula yang dipahami dari sistem dan lebih detail pula analisis yang dapat dilakukan.

          Pemodelan gerakan tubuh manusia dapat digolongkan berdasarkan pendekatan yang diambil:

  • Pendekatan teori yang menggunkan basis pengetahuan dalam  bidang fisiologi,     mekanika, dan robotika untuk merancang persamaan matematika yang mengepresikan      gerakan tubuh manusia. Selanjutnya gait dapat dipelajari dengan simulasi menggunakan model tersebut dan hasilnya dibandingkan dengan data asli yang diukur dari manusia.
  • Pengukuran gait secara langsung mendapatkan model yang representatif        menggambarkan hibungan antar variabel dalam gerakan tubuh manusia.

Kedua pendekatan ini akan bertemu, utamanya bila sebuah studi gerakan tubuh manusia diarahkan pada aplikasi tertentu, misalnya analysa patologi maupun rehabilitasi dari suatu kelumpuhan tertentu.

Kategori:Materi Kuliah

PENGANTAR FISIKA KESEHATAN

23 September 2010 1 komentar

Ilmu fisika kesehatan atau disebut dengan medical physics adalah ilmu yang menggabungkan dua bidang kajian yang sangat luas, yaitu : ilmu fisika dan ilmu kesehatan serta keterkaitannya. Fisika kesehatan mengacu pada dua bidang kajian utama, yaitu:

  1. pertama, penerapan fungsi ilmu fisika pada tubuh manusia dan penerapannya untuk mengatasi penyakit yang dialami oleh tubuh.
  2. kedua, penerapan ilmu fisika pada kegiatan teknik pemeriksaan medis.

Bagian yang pertama sering disebut physics of physiology; sementara bagian yang kedua melibatkan seluruh pemahaman tentang konsep dasar dan cara kerja instrumen-instrumen (peralatan) kedokteran yang digunakan untuk mendiagnosa para pasien. Kedua bidang kajian tersebut menjadi sangat penting untuk menjaga (bagian yang pertama) kesehatan dan (bagian yang kedua) untuk mengatasi atau menyembuhkan tubuh bila telah terserang penyakit.

Bidang ilmu fisika kesehatan terdiri dari beberapa sub-divisi. Di Amerika Serikat fisika kesehatan lebih difokuskan pada bidang kajian radiologi. Ilmu fisika digunakan menganalisis secara sempurna tentang proses fisis peristiwa radiasi dan memberikan solusi lengkap tentang cara mengatasi permasalahan-permasalahan yang mungkin terjadi pada tubuh manusia akibat pemberian perlakuan radiasi tersebut. Proses penyembuhan tubuh manusia dari berbagai penyakit dengan cara radiasi dengan demikian dapat dilakukan dengan baik dan sempurna.

Matematika sebagai alat bantu

Sekalipun para fisikawan dapat dengan mudah menyelesaiakan berbagai persoalan fisis yang ada, namun di sisi lain banyak permasalahan fisis yang lain, termasuk pada bidang kesehatan, harus diselesaikan dengan melibatkan sedikit perumusan matematika. Dengan bantuan teknik matematis yang lihai, banyak permasalahan medis terselesaikan. Dalam dunia fisika sendiri matematika menjadi alat bantu untuk menyelesaikan berbagai persoalan. Menyelesaikan berbagai persamaan gerak tubuh, aliran darah, proses detak jantung, proses interaksi antar sel-sel tubuh, dilakukan dengan menggunakan alat bantu teknis perumusan matematis yang relevan. Jadi dengan demikian, memiliki pemahaman matematika yang baik sangat membantu untuk menyelesaikan berbagai permasalahan kesehatan dengan sempurna.

Pengukuran Besaran

Di dalam kehidupan sehari-hari, kita sering melakukan pengukuran. Pada dunia kesehatan pengukuran menjadi tugas rutin yang dilakukan. Mengukur temperatur tubuh, mengukur tinggi badan, mengukur detak jantung, mengukur denyut aliran darah adalah contoh yang banyak kita temukan. Proses pengukuran ini akan melibatkan angka-angka pada berbagai digit.

          Semua alat ukur yang digunakan pada proses pengukuran tentu memiliki skala pengukuran yang terkecil, yaitu skala terkecil yang ditunjukkan pada alat ukur. Kita menyadari bahwa sebagai manusia kita memiliki banyak keterbatasan. Dalam proses pengukuran yang kita lakukan, oleh karena keterbatasan itu, akan menghasilkan sedikit kesalahan dalam batas toleransi, yang oleh fisikawan dan matematikawan dikategorikan sebagai ketidakpastian.

hasil pengukuran. Itulah sebabnya sering dianjurkan agar mengukur sesuatu besaran harus dilakukan berulang kali dan mengambil rata-ratanya sebagai hasil akhir yang dilaporkan. Semua itu dilakukan agar didapatkan hasil yang lebih akurat sehingga hasil pengukuran tersebut betul-betul menyatakan keadaan yang sebenarnya. Kesalahan terkecil yang mungkin dilakukan pada setiap pengukuran adalah setengah kali dari besar skala terkecil alat ukur yang digunakan.

          Umumnya pada kehidupan kita sehari-hari besaran-besaran hasil pengukuran yang kita dapatkan adalah hanya melibatkan besarnya saja atau nilai angkanya saja. Besaran ini disebut sebagai besaran scalar. Kita jarang berfikir tentang apa saja yang melekat pada besaran itu. Jika suatu proses pengukuran hanya menghasilkan besarnya saja, maka pengukuran tersebut hanya menghasilkan nilai skalar pengukuran. Tapi dalam kehidupan nyata dan dunia kesehatan, banyak besaran yang harus diukur tidak hanya memiliki besar akan tetapi juga memiliki arah. Suatu besaran yang memiliki besar dan arah disebut sebagai besaran vector. Misalnya, katakanlah anda mendorong seorang teman dengan kuat sehingga teman tersebut terjatuh dan terhempas ke lantai sehingga terluka. Anda dalam proses itu tentu “memberikan” gaya sebesar tertentu untuk mendorong teman itu. Tapi di samping nilai gaya yang anda “berikan” tersebut tentu ada arah kemana anda mendorongnya. Jadi gaya yang anda “berikan” itu memiliki besar dan arah, sehingga gaya itu disebut sebagai besaran vector. Banyak besaran vector yang akan kita gunakan dalam menyelesaikan berbagai permasalahan kesehatan tubuh.

Satuan Besaran Fisika

Gaya yang anda gunakan untuk mendorong teman tersebut memiliki besar dan arah. Di samping itu gaya juga memiliki satuan sebagaimana besaran-besaran yang lainnya. Gaya memiliki satuan Newton yang sama dengan kg.m/dt2. Pada kesempatan lain mungkin saja anda menemukan satuan gaya menjadi gr.cm/dt2. Sekilas terlihat ada perbedaan dari kedua satuan itu walaupun sama-sama satuan dari besaran gaya. Mengapa besaran yang sama memiliki satuan yang berbeda ? Kajian fisika sebenarnya mengizinkan adanya perbedaan penulisan itu. Perbedaan yang terjadi pada penulisan satuan gaya di atas hanya pada sistim satuan yang digunakan. Kg.m/dt2 adalah sistim satuan internasional (SI) atau sering disebut sistim MKS yang berasal dari kata Meter Kilogram Second, sementara gr.cm/dt2 adalah sistim CGS yang berasal dari kata Centimeter Gram Second. Beberapa negara di Eropa menggunakan sistim satuan CGS, sementara Amerika Serikat lebih menyukai sistim satuan MKS. Di dalam buku ini kita akan lebih sering menggunakan sistim satuan MKS. Satuan dari besaran-besaran yang lain dapat dilihat pada berbagai buku ajar yang ada. Di dalam dunia kesehatan kita akan banyak berhadapan dengan satuan seperti: kg (berat badan), oC (temperatur tubuh), cm3 (volume cairan yang akan disuntikkan ke dalam tubuh), dll.

Besaran Pokok dan Besaran Turunan

Besaran yang digunakan dalam suatu perhitungan sering melibatkan besaran pokok dan besaran turunan. Besaran pokok adalah besaran dasar yang tak teruraikan lagi. Besaran turunan adalah besaran dimana tersusun dari lebih dari satu besaran pokok.

Besaran Pokok

  1. Panjang (jarak) meter (m)
  2. Massa kilogram (kg)
  3. Waktu second (sec) atau detik
  4. Temperatur Kelvin (K) atau Celcius (C)
  5. Arus listrik Ampere (A)
  6. Intensitas cahaya Candela (Cd)
  7. Jumlah zat mole (mol)

Besaran Turunan

  1. Kecepatan m/det
  2. Luas m2
  3. Volume m3
  4. Gaya kg.m/dt2
  5. dll.

—————————————————–

Sumber : Physics in Biology and Medicine

Kategori:Materi Kuliah
Ikuti

Get every new post delivered to your Inbox.