Ilham Akbar Lambaga
PRINSIP-PRINSIP DASAR
FISIKA KESEHATAN
Penerbit Salemba Medika, Jakarta Kata Pengantar Puji syukur penulis hanturkan kepada Tuhan semesta alam, atas segala limpahan anugerah ilmu pengetahuan dan waktu sehingga penulis dapat merampungkan Buku yang berjudul Prinsip-prinsip Dasar Fisika Kesehatan. Olehnya itu, penulis sangat berterima-kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam proses penulisan dan pembuatan buku ini. Buku ini dibuat dengan harapan dapat menunjang proses belajar bagi mahasiswa keperawatan D-III maupun S1, maupun mahasiswa kebidanan dan yang terkait dalam kesehatan. Di dalam buku ini memuat materi dari Biomekanika, Bioakustik, Fluida, Biothermal, Biolistrik, BioOptik, dan Fisika radiasi. Pada tiap-tiap ba diberikan contoh-contoh soal serta
penyelesaiannya
untuk
mempermudah
mahasiswa
dalam
memahami konsep-konsep fisika, dan di akhir tiap bab dilengkapi dengan evaluasi. Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam buku ini, baik itu kesalahan penyajian ataupun materi yang kurang sesuai. Olehnya itu, kritik dan saran yang sifatnya membangun sangat penulis harapkan demi kesempurnaan pada masa yang akan datang.
Luwuk, Juni 2012
Penulis
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR DAFTAR ISI BAB I PENDAHULUAN 1.1 Pengantar 1.2 Standar Satuan Sistem Internasional 1.3 Konversi Satuan 1.4 Pengukuran 1.5 Ketidakpastian Pengukuran BAB IIBIOMEKANIKA 2.1 Hukum-Hukum Newton 2.2 Hukum-Hukum Gaya 2.3 Berat dan Massa 2.4 Usaha dan tenaga 2.5 Energi Kinetik dan energi Potensial 2.6 Aplikasi Biomekanika dalam bidang klinik BAB III 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7
BIO-AKUSTIK Telinga Gelombang Bunyi Sumber Bunyi Efek Doppler Intensitas Bunyi Kebisingan Aplikasi Bio-akustik dalam bidang klinik
BAB IV FLUIDA 4.1 Pengantar 4.2 Tekanan Fluida dan massa jenis 4.3 Dinamika fluida 4.4 Prinsip Pascal dan Prinsip Archimedes 4.5 Tekanan dan aliran darah manusia 4.6 Pengukuran tekanan BAB V 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6
BIOTERMAL Pengantar Suhu dan kalor Panas Tubuh Konversi Skala Temperatur Transfer Kalor Energi Kalor dan Aplikasinya
BAB VI BIOLISTRIK 6.1 Pengantar 6.2 Sistem syaraf manusia 6.3 Hukum dalam Biolistrik 6.4 Dielektrik 6.5 Medan listrik dan medan magnet tubuh manusia 6.6 Aplikasi medan listrik dan medan magnet BAB VII BIO-OPTIK 7.1 Pengantar 7.2 Mata dan bagian-bagiannya 7.3 Cahaya 7.4 Optika geometris BAB VIII SPEKTROSKOPI 8.1 Pengantar 8.2 Fisika atom dan radiasi 8.3 Radioaktf 8.4 Energi Absorbsi 8.5 Ionisasi dan jenis radiasi 8.6 Terapi Radiasi 8.7 Penggunaan Radioisotop dalam Diagnosistik Indeks Daftar Pustaka Tentang Penulis
BAB I
PENDAHULUAN 1.1
Pengantar Apa pengertian fisika kesehatan?
Fisika kesehatan merupakan kombinasi dari dua kajian ilmu yang berbeda,
yaitu
ilmu
fisika
dan
ilmu
kesehatan.
Ilmu
fisika
merupakan kajian ilmu yang mempelajari fenomena (gejala) alam, termasuk gaya, medan, energi, dan informasi dan segala aspek yang terkait dengannya. Sedangkan ilmu kesehatan merupakan ilmu yang mempelajari tentang aspek-aspek yang mempengaruhi dan dipengaruhi kesehatan manusia. Dari dua kajian ilmu tersebut maka lahirlah ilmu fisika kesehatan sebagai ilmu yang mempejari fenomena-fenomena gaya, medan, energi dalam tubuh manusia upayanya demi kesehatan tubuh manusia.
Apa hubungan ilmu fisika dan ilmu kesehatan? Ilmu fisika dan ilmu kesehatan memilki hubungan yang sangat erat dalam dunia medis. Sebagai contoh, jika ada seorang perawat yang mengukur suhu tubuh pasien, maka agar perawat bisa memberikan tindakan medis, si pasien perlu diukur suhu tubuhnya. Pengukuran suhu
tubuh
pasien
tersebut
mutlak
memerlukan
parameter
pengukuran. Untuk hasil pengukuran yang lebih akurat maka pasien menggunakan alat ukur suhu yaitu thermometer. Suhu tubuh normal adalah 30oC – 36oC, sedangkan jika suhu tubuh lebih dari 37oC maka segera diberikan tindakan medis. Kenapa ilmu fisika perlu dipelarari di dunia medis? Perkembangan teknologi kesehatan 1.2Standar Satuan Sistem Internasional Besaran pokok Besaran turunan Besaran vektor
1.3Konversi Satuan
1.4Pengukuran
1.5Ketidakpastian Pengukuran
BAB IV FLUIDA
Massa Jenis dan Tekanan
Massa jenis ρ dari suatu fluida homogen dapat bergantung pada banyak factor, seperti temperature fluida dan tekanan yang mempengaruhi fluida tersebut. Massa jenis suatu fluida didefinisikan sebagai fluida persatuan volume:
ρ =
m V
Dengan m adalah massa fluida dan V adalah volumenya. Satuan SI massa jenis adalah kg/m3. Gaya yang dilakukan oleh fluida pada elemen luas permukaan ∆S adalah ∆ F = p∆S .
Karena
F ∆
dan
A ∆
mempunyai arah sama, maka tekanan P
dapat ditulis:
P =
∆ F ∆ A
Tekanan adalah gaya persatuan luas (N/m2) dan satuan SI adalah Pascal (1Pa=1N/m2) . Tekanan atmosfir pada permukaan laut adalah 1 atm setara dengan 1,01x105 Pa.
Tekanan (pada zat padat adalah stres atau tegangan) terbesar yang terdapat pada tubuh adalah pada sendi-sendi penyangga tubuh. Pada saat berjalan seluruh berat tubuh akan bertumpu pada satu tungkai sehingga tungkai lutut akan mendapat tekanan atau stres yang lebih besar. Kalau luas permukaan sendi tidak terlalu besar maka stres akan lebih besar lagi.
Contoh. Jika 50% berat tubuh anda ditopang oleh tulang belakang yang luas penampang melintangnya adalah 30 cm2 . Berapakah stres dititik tulang belakang anda. Jika
tulang
memiliki
modulus
elastik
sebesar
120x106N/m2
berapakah tekanan maksimum dan berat yang dapat ditopang oleh tulang tersebut persis sebelum patah.
Variasi Tekanan Di dalam Fluida Statis dan Prinsip Archimedes Jika suatu fluida berada dalam seimbang, maka setiap bagian fluida berada dalam keadaaan setimbang. Misalkan Po adalah tekanan pada permukaan laut, maka besarnya tekanan pada kedalaman h, yakni:
P = P0 + ρgh Dengan P adalah tekanan fluida pada kedalaman h (N/m2) P0 adalah tekanan atmosfir (N/m2) ρ adalah massa jenis zat cair (kg/m3) h adalah kedalaman zat cair Tekanan hidrostatik dalam fluida terbuka adalah sama dengan berat kerapatan dikali dengan ke dalaman mulai dari titik yang ditinjau.
Gambar . Contoh peralatan menggunakan tekanan.
Penggunaan tekanan dalam praktek klinik seperti pada alat ukur tekanan darah. Alat ukur tekanan darah yang dibuat oleh Riva-Rocci yang disebut Sphygnomanometer atau tensimeter. Tekanan darah yang biasa diukur adalah: 1. Sistolik yaitu tekanan darah maksimum yang terdapat pada aorta ketika jantung berada pada fase sistolis (berkontraksi) dimana darah dipompakan dari ventrikel kiri ke aorta. Dalam keadaan tenang dan jantung sehat kira-kira 72 kali permenit. 2. Diastolik yaitu tekanan darah minimum yang diperoleh pada aorta ketika jantung berada pada fase distolik (mengembang) dimana darah dari vena masuk ke atrium. Tekanan nadi yaitu selisih tekanan sistolik dengan tekanan diastolik. Jika suatu benda berada pada suatu fluida yang diam, maka setiap bagian permukaan benda mendapatkan tekanan yang dilakukan oleh fluida. Gaya resultan yang bekerja pada benda mempunyai arah ke atas, dan disebut gaya apung. Gaya yang dikerahkan oleh fluida adalah: F
=
gV ρ
Jadi gaya apung yang bekerja pada benda adalah sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda. Hasil ini pertama kali dikemukakan
oleh Archimedes, dan disebut Prinsip Archimedes yang berbunyi sebagai berikut : “ Setiap benda yang terendam seluruhnya ataupun sebagian
di
dalam fluida mendapat gaya apung yang berarah ke atas, yang besarnya adalah sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut”.
Aliran Tunak dan Persamaan Kontinuitas. Banyaknya fluida yang masuk ke dalam suatu ujung pipa akan keluar sama banyaknya dari ujung pipa yang lain selama tidak bocor.
V A
1
P
V A
Kecepatan
2
2
1
aliran
fluida
dapat
berbeda dari suatu titik lain di dalam tabung. Massa elemen fluida yang melalui titik P dalam selang waktu dt adalah dm
ρ A1v1 dt sehingga
=
banyaknya massa yang melewati suatu luasan (A) persatuan waktu (fluks massa) adalah:
dm dt
=
ρ A1v1
Untuk fluida yang tunak tidak ada partikel fluida yang keluar melalui dinding sehingga jumlah massa menembus tiap penampang haruslah sama, sehingga:
A1v1
=
A2 v2
Persamaan kontinuitas ini sama seperti aliran darah dalam tubuh melalui mekanisme bahwa darah mengalir dari jantung ke aorta dan kemudian masuk arteri-arteri utama lalu masuk ke sejumlah pembuluh kapileryang amat kecil. Darah kemudian masuk kembali lagi ke jantung melalui pembuluh vena.
Contoh : Air dengan massa jenis ρ = 103 kg/m3 mengalir melalui pipa pertama (A1 = 4 x 10-3 m2) yang bersambung dengan pipa kedua -3
(A2 = 2 x 10
m2) seperti terlihat pada gambar. Kecepatan aliran
air pada pipa 2 adalah 2,5 m/s. Hitunglah : a.
Kecepatan aliran pada pipa 1
b. Berapa kg air yang keluar dari mulut pipa 2 selama 10 detik. Jawab : a) v1
=
A2 A1
b).m2 =
v2
ρ
=
3
2 x10
−
4 x10
−
x 2,5 = 1,25 m / det
3
A2 v2 t = ( 103 kg/m3 ) (2x10-3) (2,5m/s) (10 s) = 50 kg
Contoh: Darah yang mengalir dalam aorta memiliki laju kira-kira 30 cm/s dan jari-jari aorta sekitar 1 cm dan jari-jari pembuluh kapiler sekitar 4x10-4 cm dan darah yang melaluinya dengan laju sekitar 5x10-4m/s. Perkirakan berapa banyak pembuluh darah kapiler dalam tubuh.
v1 =
A2 A1
2
v2 =
n π r R
π
2
Persamaan Bernoulli
v2
⇒
9
n = 4 × 10 pembuluh
Tinjaulah aliran tunak, tak terperaskan dan tidak kental dari suatu fluida pipa seperti ditunjukan pada gambar. Fluida mengalir dari ujung A ke ujung B berlaku persamaan yang dikenal sebagai persamaan Bernoulli, yakni:
v 2 A2
F
,P v F
A1
2
Y 2 1
2
1
,p1
1
2
y
∆l
1
1
Gambar. Zat cair dalam pipa bergerak karena ada perbedaan tekanan
P1 +
1 2
ρν 1
2
gy
+ ρ
=
P 2
+
1 2
2
ρ v2
gY
+ ρ
