BAB I
PEND AHUL UAN PENDAHUL AHULUAN
A. Pendahuluan
F
isika adalah ilmu pengetahuan yang paling mendasar, karena berhubungan dengan perilaku dan struktur benda. Bidang fisika biasanya dibagi menjadi gerak, fluida, panas, suara, cahaya, listrik dan magnet dan topik-topik modern seperti relativitas, struktur atom, fisika zat padat, fisika nuklir, partikel elementer dan astrofisika. Dalam buku ini pembahasan dibatasi pada materi fisika yang berkaitan dengan ilmu kesehatan khususnya ilmu kedokteran, keperawatan, kebidanan dan kesehatan masyarakat atau lingkungan. Praktik klinik baik kedokteran, keperawatan maupun kebidanan telah banyak memanfaatkan kemajuan sains atau Ilmu Pengetahuan dan Teknologi (IPTEK) di mana ilmu fisika mempunyai peran yang sangat besar. Maka dari itu ada baiknya kita melihat sekilas bagaimana aktivitas yang disebut sains, termasuk fisika ini dipraktikkan. Dengan pemahaman oleh mahasiswa ilmu keperawatan, kebidanan dan kesehatan masyarakat maupun lingkungan terhadap materi yang ada di buku ini, diharapkan dapat menjadi bekal dalam menekuni profesinya di kemudian hari. Walaupun istilah sains berasal dari bahasa Latin yang berarti mengetahui, akhirnya sains tidak sekedar berarti pengetahuan. Tujuan utama semua sains, termasuk fisika, umumnya dianggap sebagai usaha untuk mencari keteraturan dalam pengamatan manusia pada alam sekitarnya. Banyak orang berpikir bahwa sains adalah proses mekanis dalam pengumpulan fakta-fakta dan membuat teori. Hal ini tidak benar. Sains, termasuk fisika, seperti juga sains lainnya merupakan usaha kreatif.
1
Fisika bukan hanya sekelompok fakta. Teori-teori penting dibuat dengan tujuan untuk menjelaskan pengamatan. Untuk dapat diterima, teori diuji dengan membandingkan prediksinya dengan hasil eksperimen yang sebenarnya. Perhatikan bahwa umumnya teori tidak dapat dibuktikan secara absolute. Untuk waktu yang lama sains kurang lebih merupakan satu kesatuan yang dikenal sebagai filosofi alam. Baru pada satu atau dua abad yang lalu, perbedaan antara fisika dan kimia dan bahkan sains kehidupan menjadi jelas. Memang perbedaan menyolok yang kita lihat sekarang antara seni dan sains juga baru berumur beberapa abad. Dengan demikian tidak mengherankan kalau perkembangan fisika telah mempengaruhi dan dipengaruhi bidang-bidang lain. Karya awal mengenai listrik yang berlanjut dengan penemuan baterai listrik dan arus listrik dibuat oleh seorang fisiologis abad ke-18, Luigi Galvani (1737-1798). Ia memperhatikan sentakan kaki katak yang merupakan respon terhadap percikan listrik, kemudian otot-otot tersebut kelihatan tersentak jika bersentuhan dengan dua logam yang tidak sama. Pertama kalinya fenomena ini dikenal sebagai kelistrikan hewan, tetapi tidak lama kemudian menjadi jelas bahwa arus listrik itu sendiri bisa ada walaupun hewannya tidak. Seseorang tidak perlu menjadi seorang ilmuwan peneliti pada, katakanlah kedokteran atau biologi molekuler untuk menggunakan fisika dalam pekerjaannya. Seorang terapi fisik misalnya, dapat melakukan pekerjaannya lebih efektif jika ia paham akan prinsip pusat gravitasi dan cara kerja gaya-gaya dalam tubuh manusia. Para ilmuwan sering membuat model dari fenomena fisika. Sebuah model merupakan semacam gambaran atau analogi yang kelihatannya menjelaskan fenomena yang bersangkutan. Teori sering dikembangkan dari model, biasanya lebih dalam dan lebih kompleks dari model yang sederhana. Hukum ilmiah merupakan suatu pernyataan yang singkat, sering dinyatakan dalam bentuk persamaan, yang secara kuantitatif mendeskripsikan sekelompok fenomena yang meliputi kasus-kasus yang luas.
B. Satuan, Standar, dan Sistem SI Besaran-besaran fisika selalu dinyatakan relative terhadap suatu standar atau satuan tertentu, dan satuan yang digunakan harus selalu 2
Fisika Kesehatan
diikutsertakan. Satuan yang diterima secara umum saat ini adalah System International (SI), di mana satuan standar: panjang, massa dan waktu adalah: meter, kilogram dan sekon. Standar internasional yang pertama adalah meter (disingkat m), dinyatakan sebagai standar panjang oleh French Academy of Sciences pada tahun 1790-an. Dalam semangat rasionalitas, 1 meter standar pada awalnya ditentukan sebesar: Jarak antara dua goresan pada meter standar sehingga jarak dari kutub utara ke khatulistiwa melalui Paris adalah 10 juta meter. Meter standar adalah sebuah batang yang terbuat dari campuran platina-iridium.
Gambar 1.1. Satu meter ditetapkan atas dasar jarak dari kutub utara ke khatulistiwa melalui Paris
Pada tahun 1889, meter didefinisikan dengan lebih tepat sebagai jarak antara dua tanda yang dibuat jelas pada sebuah penggaris campuran platinum-iridium. Tahun 1960, untuk memberikan ketepatan yang lebih tinggi dan agar bisa diproduksi ulang, meter didefinisikan kembali sebagai 1.650.763,73 panjang gelombang dari suatu cahaya jingga tertentu yang dipancarkan oleh atom-atom gas Krypton-86 (Kr86). Tahun 1983, meter kembali didefinisikan ulang, kali ini dalam hubungannya dengan kecepatan cahaya (yang nilai pengukuran terbaiknya dalam definisi meter yang lama adalah 299.792.458 m/s, dengan ketidakpastian sebesar 1m/s). Definisi yang baru adalah: “satu meter adalah panjang jalur yang dilalui oleh cahaya pada ruang hampa udara selama selang waktu 1/299.792.458 sekon”.
Pendahuluan
3
Gambar 1.2 Sketsa definisi baru 1 meter
Satuan Inggris untuk panjang (inci, foot, mil) sekarang didefinisikan dalam meter Inci (in), didefinisikan tepat sebesar 2,54 centimeter (cm); dimana 1 cm = 0,01 m. Standar massa adalah massa sebuah silinder platina-iridium, yang disebut sebagai satu kilogram, disimpan di International Bureau of Weights and Measures di Sevres, dekat Paris.
Gambar 1.3 Kilogram standar Sampai tahun 1960 standar waktu didasarkan pada hari surya ratarata, selang waktu yang dibutuhkan oleh matahari untuk mencapai titik tertingginya dua kali berturut-turut, dirata-ratakan selama watu 1 tahun. Pada tahun 1967 ditetapkan standar atom. Pada atom cesium energi dari kedua tingkat energinya yang terendah tidak banyak berbeda, tergantung pada sejajar atau tidaknya spin electron paling luar pada spin inti. Radiasi listrik magnetic (gelombang mikro) dengan frekuensi yang tepat menyebabkan perpindahan dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lain. Saat ini satu detik didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan oleh 9.192.631,770 periode radiasi ini. Tentu saja ada tepat 60 s dalam 4
Fisika Kesehatan
satu menit (min) dan 60 menit dalam satu jam atau hour (h). Perhatikan bahwa dua faktor 60 ini (sebagaimana juga 2,54 cm per inci) merupakan definisi dan dengan demikian memiliki jumlah angka signifikan tak terhingga. Tabel 1.1 menunjukkan kisaran pengukuran selang interval waktu. Tabel 1.1. Beberapa interval waktu tertentu Selang waktu Waktu hidup partikel yang sangat tidak stabil Waktu hidup elemen-elemen radioaktif Waktu hidup muon Waktu di antara detak jantung manusia Satu hari Satu tahun Rentang waktu kehidupan manusia Panjang sejarah yang tercatat Manusia di Bumi Kehidupan di Bumi Umur Alam semesta
Sekon (pendekatan) 10-23 S 10-23 S s/d 1028 S 10-6 S 100 S (=1 S) 105 S 3 x 107 S 2 x 109 S 1011 S 1014 S 1017 S 1018 S
Definisi satuan standar untuk besaran lainnya akan diberikan ketika kita menemukannya dalam bab-bab berikutnya. Pada sistem metrik, satuan yang lebih besar dan lebih kecil didefinisikan dalam kelipatan 10 dari satuan standar, dan cara ini membuat perhitungan cukup mudah. Dengan demikian, 1 kilometer (km) adalah 1000 m, 1 centimeter adalah 1/100 m, 1 milimeter (mm) adalah 1/1000 m atau 1/10 cm, dan seterusnya. Awalan “centi”, “kilo” dan yang lainnya diberikan pada table 1.2 dan dapat diterapkan tidak hanya pada satuan panjang, tetapi juga satuan volume, massa, atau satuan metrik lainnya. Misalnya 1 centiliter (cL) adalah 1/1000 liter (L) dan satu kilogram adalah 1000 gram (g).
Pendahuluan
5
Tabel 1.2 Awalan-awalan Metrik (SI) Awalan exa peta tera giga mega kilo hecto deka deci centi milli micro nano pico femto atto * µ adalah huruf Yunani “mu”
Singkatan E P T G M k H Da D C M µ* N P F a
Nilai 1018 1015 1012 109 106 103 102 101 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18
Ketika berurusan dengan hukum dan persamaan fisika, penggunaan satu set satuan yang konsistem merupakan hal yang sangat penting. Beberapa sistem satuan telah digunakan selama bertahun-tahun. Saat ini yang paling penting adalah System International (versi Prancis dari sistem internasional), yang disingkat dengan SI. Pada satuan SI, standar panjang adalah meter, standar waktu adalah sekon dan standar massa adalah kilogram. Sistem ini digunakan dalam cabang ilmu fisika yaitu mekanika. Sistem ini dulu disebut MKS (meter-kilogram-sekon). Seluruh kuantitas yang digunakan dalam mekanika dapat dinyatakan dalam istilah satuan standar. Sistem metrik kedua adalah sistem cgs, di mana centimeter, gram dan sekon adalah satuan standar untuk panjang, massa dan waktu, sebagaimana disingkat pada namanya. British Engineering System memakai standar foot untuk panjang, pound untuk gaya dan sekon untuk waktu. Cabang ilmu fisika lainnya mempergunakan lebih dari 3 kuantitas dasar dan satuan, yaitu suhu (Kelvin), arus listrik (Ampere) dan intensitas luminasi (Candela). Tahun 1954 dan 1960, seluruh kuantitas fisika dan satuannya telah dinyatakan dalam istilah Satuan Internasional (SI) dan 6
Fisika Kesehatan
beberapa derivate/ keturunannya dari SI. Berikut ini disajikan tabel satuan internasional dan beberapa derivatnya. Tabel 1.3 Satuan Internasional Kuantitas Panjang Massa Waktu Arus Temperatur Intensitas cahaya Jumlah zat
Satuan meter Kilogram detik Ampere Kelvin candela mole
Singkatan m Kg sec. A K cd Mol
Tabel 1.4 Turunan Satuan Internasional Kuantitas Gaya Tekanan Energi Tenaga Torque Electric charge Potensial listrik Tahanan listrik Kapasitas Induktan frekwensi dll
Satuan Newton Pascal Joule Watt Meter-Newton Coulomb Volt Ohm Farad Henry Hertz
Singkatan
Dimensi
N Pa.N/m2 J.Nm W.J/sec r.mN C V, J/c V/A F, C/V, C2/J H, J/A2.sec Hz
Kgm/sec2 Kg/m sec2 Kgm2/sec2 Kgm2/sec3 Kgm2/sec2 A sec. Kgm2/sec3A2 Kgm2/sec3A2 Sec.4A2/Kgm2 Kgm2/sec2A2 sec-1
Dalam bidang kedokteran dan juga keperawatan sistem SI, maupun turunannya tidak semua digunakan, masih banyak mempergunakan sistem non SI. Berikut ini adalah besaran dan satuan yang sering digunakan dalam bidang kedokteran:
Pendahuluan
7
Tabel 1.5 Sistem non SI yang digunakan dalam bidang kedokteran dan keperawatan Kuantitas massa panjang volume waktu gaya energi tenaga tekanan
temperatur
Satuan gram foot,centimeter liter menit dyne, pound force kalori Kilokalori Kilokalori/menit pound/inch2 millimeter merkuri atmosfir Fahrenheit Celcius
Singkatan g ft, cm min Lbf Cal Kcal Kcal/min Psi mm Hg atm F C
C. Mengkonversi Satuan Besaran apapun yang kita ukur, seperti panjang, kecepatan ataupun arus listrik, harus terdiri dari suatu bilangan dan suatu satuan. Jika besaranbesaran tersebut dijumlahkan, dikurangi, dikalikan atau dibagi dalam suatu persamaan aljabar, maka satuannya juga harus diperlakukan sama seperti bilangan lainnya. Sering kita diberikan besaran dalam satu set satuan , tetapi kita ingin menyatakan dalam set satuan yang lain. Sebagai contoh, kita mengukur bahwa tinggi badan seorang pasien 21,5 inci, dan kita ingin menyatakannya dalam centimeter. Kita harus menggunakan factor konversi (semua faktor konfersi bernilai 1) yang dalam hal ini adalah: 1 in = 2,54 cm Jika kita bagi ruas kanan dengan ruas kiri, kita peroleh: 1in 2,54cm = 1 atau =1 2,54cm 1in
8
Fisika Kesehatan
1in 2,54cm atau 2,54cm 1in disebut factor konversi.
Jadi faktor konversi memiliki nilai 1. Karena setiap besaran dapat dikalikan 1 dengan tanpa mengubah nilainya, sekarang kita dapat mengubah 1 in ke dalam cm dengan mengalikannya dengan faktor konfersi
2,54cm : 1in
⎛ 2,54cm ⎞ ⎟⎟ = 54,6cm 21,5in = (21,5 in) × ⎜⎜ ⎝ 1in ⎠ Jika kita mengalikannya dengan faktor konversi
1in : 2,54cm
⎛ 1in ⎞ ⎟⎟ 21,5in = (21,5 in) × ⎜⎜ ⎝ 2,54cm ⎠ Kita tidak dapat mencoret satuan in karena keduanya terdapat pada pembilang. Ini menyatakan bahwa faktor konversi harus dibalik. Dengan mencoret satuan inci (in), seperti yang biasa dilakukan dengan bilangan biasa untuk memperoleh satuan cm yang benar. Cara memperlakukan satuan semacam ini memudahkan kita untuk melakukan konversi dari satu satun ke satuan yang lainnya. Contoh: Sebuah membran yang bundar memiliki luas 1,25 inci persegi. Nyatakanlah luas membran sel tersebut dalam centimeter! Jawab: Karena 1 in = 2,54 cm, maka 1 in2 = (2,54 cm)2 = 6,45 cm2 Faktor konfersinya adalah=
1in 2,54cm = 1 atau =1 2,54cm 1in
sehingga,
Pendahuluan
9
2
⎛ 6,45cm 2 ⎞ ⎛ 2,54cm ⎞ 2 ⎟⎟ = 8,06cm 2 ⎟⎟ = 1,25in × ⎜⎜ 1,25in = 1,25in × ⎜⎜ 2 ⎝ 1in ⎠ ⎝ in ⎠
(
2
)
(
)
D. Pengukuran Pengukuran memainkan peranan penting pada fisika, tetapi hasil pengukuran tidak akan pernah tepat secara sempurna. Adalah penting untuk menentukan ketidakpastian suatu pengukuran, baik dengan menyatakan langsung dengan ± , dan atau dengan memakai angka signifikan yang tepat. Fisika maupun disiplin ilmu lain seperti ilmu kesehatan, pengukuran kuantitas merupakan dasar utama guna mencari korelasi atau interpretasi dan juga untuk membandingkan hasil pengukuran dengan prediksi teoritis. Pengukuran adalah tindakan yang bertujuan untuk menentukan kuantitas dimensi suatu besaran pada suatu sistem, dengan cara membandingkan dengan satu satuan dimensi besaran tersebut, menggunakan alat ukur yang terkalibrasi dengan baik. Tapi, pada kenyataannya nilai pembandingnya tidak pernah diperoleh secara pasti, sehingga nilai sebenarnya tidak dapat diketahui. Pengukuran berulang-ulang hasilnya selalu berbeda, meskipun selisihnya sangat kecil. Jadi dalam pengukuran selalu terdapat kesalahan. Usaha yang harus dilakukan adalah mengusahakan kesalahan itu sekecil-kecilnya. Untuk menyatakan seseorang sakit atau tidak, perlu dilakukan pengukuran terhadap besaran-besaran fisis tubuh seperti suhu badan, tekanan darah, frekuensi detak jantung dan sebagainya. Dari hasil pengukuran, belum dapat memberikan informasi apapun tanpa membandingkan dengan suatu nilai yang ada. Nilai yang diperoleh selanjutnya dibandingkan dengan suatu nilai yang dianggap sebagai standar normal untuk menyatakan keadaan tubuh yang sehat. Nilai standar yang digunakan merupakan hasil pendekatan secara empiris dari hasil pengukuran terhadap banyak sampel yang kemudian nilai terbaik/ rata-rata nya dianggap sebagai nilai standar normal atau sehat, sehingga sedikit batas penyimpangan atau variasi baik di atas maupun di bawah dari nilai standar tersebut masih dianggap sehat. 10
Fisika Kesehatan
Kesalahan dari proses pengukuran baik disebabkan karena faktor alat, metode maupun pelaku pengukuran, tentunya akan mengakibatkan kesalahan informasi yang diperoleh sehingga menimbulkan kesalahan kesimpulan dan ahirnya kesalahan tindakan yang akan merugikan pasien. Dalam hal penentuan ini dapat terjadi false positif atau false negative. False positif adalah merupakan suatu error (penyimpangan) yang terjadi di mana penderita dinyatakan menderita suatu penyakit, padahal sama sekali tidak menderita penyakit tersebut. Sedangkan false negative merupakan suatu error yang terjadi di mana penderita dinyatakan tidak sakit, pada hal menderita suatu penyakit. Hal ini tentunya akan sangat merugikan pasien. Untuk memperkecil kesalahan-kesalahan dalam pengukuran, maka perlu memahami faktor-faktor penyebab timbulnya kesalahan/ralat dan cara memperkecil kesalahan-kesalahan dalam pengukuran. 1. Jenis & Faktor Penyebab Timbulnya Kesalahan atau Ralat a. Ralat sistematik, ralat kelompok ini bersifat tetap adanya, penyebabnya : 1) Alat, kalibrasi, harga skala, kondisi alat yg berubah, pengaruh alat terhadap besaran yang diukur, dan sebagainya. 2) Pengamat, misal karena ketidak cermatan pengamat dalam membaca. 3) Kondisi fisis pengamatan, misal karena kondisi pada saat pengamatan tidak sama dengan kondisi fisis pada saat peneraan alat. 4) Metode pengamatan, ketidaktepatan dalam pemilihan metode akan berpengaruh terhadap hasil pengamatan. Misalnya sering terjadi kebocoran pada besaran fisis seperti panas, cahaya, dan sebagainya. b. Ralat Kebetulan, kesalahan yang terjadi pada pengamatan yang dilakukan secara berulang-ulang terhadap besaran fisis yang dianggap tetap. Penyebabnya adalah: 1) Salah menaksir, misal kesalahan penaksiran terhadap nilai skala terkecil.
Pendahuluan 11
2) Kondisi fisis yangg berubah (berfluktuasi); misal karena perubahan temperatur atau perubahan listrik ruang yang tidak stabil. 3) Gangguan, misal adanya medan magnet yang kuat, dapat mempengaruhi penunjukkan jarum penunjuk alat ukur listrik. 4) Definisi; misal karena penampang pipa tidak bulat betul maka penentuan diameternya pun akan menimbulkan kesalahan. c. Ralat kekeliruan tindakan, bagi pengamat dapat terjadi dalam 2 bentuk: 1) salah berbuat, misalnya salah membaca, pengaturan situasi/ kondisi. 2) Salah anggapan; misal terjadi pada pembulatan angka perhitungan. Kesalahan-kesalahan dalam pengukuran dapat diperkecil dengan cara lebih banyak berlatih, pemilihan metode yang tepat serta menggunakan alat ukur yang terkalibrasi dan memiliki tingkat ketepatan (akurasi) dan kebenaran (presisi) yang tinggi. 2. Perhitungan Ralat
n
Kesalahan dalam pengukuran tidak dapat dihindari sehingga nilai sebenarnya tidak akan pernah dapat ditentukan. Usaha yang dapat dilakukan hanyalah dengan memperkecil kesalahan tersebut sampai sekecil-kecilnya. Ralat berdasarkan bagaimana data diperoleh, dibedakan menjadi 2, yaitu: a. Ralat dari hasil pengamatan (pengukuran secara langsung) 1) Untuk satu kali pengukuran, nilai ralatnya adalah 0,5 skala terkecil dari alat ukur yang digunakan. 2) Untuk pengukuran berulang, nilai terbaik besaran terukur adalah nilai rata- ratanya. Misalnya suatu besaran x diukur sebanyak n kali dengan nilai terukur: x1, x2, x3,…,xn. Nilai terbaik untuk besaran tersebut adalah: (1.1)
12
Fisika Kesehatan
x=
∑ i=1
n
Selisih atau penyimpangan dari nilai terukur terhadap nilai terbaiknya disebut deviasi, dilambangkan dengan δx . Jadi (1.2)
=
Informasi selisih kumulatif seluruh data harus ditampilkan secara efisien & ringkas dalam bentuk standar deviasi (ukuran penyimpangan nilai pendekatan terbaik terhadap nilai sebenarnya yang tetap misterius), yaitu: Sx =
∑(δxi)2 n(n − 1)
(1.3)
Nilai hasil pengukuran dituliskan dalam bentuk:
(
x = x ± sx
)
(1.4)
sedangkan deviasi standart nilai rata-rata relatifnya dapat ditulis: Sx =
δxxi − x
sx x
x100 00
(1.5)
dengan keseksamaan atau kecermatan (akurasi) yaitu:
⎛S ⎞ 100 00 − ⎜⎜ x x100 00 ⎟⎟ ⎝ x ⎠
(1.6)
Contoh: Suatu panjang logam diukur 10 kali dengan hasil sebagai berikut:
Pendahuluan 13
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Kuadrat deviasi (δxi)2 (cm)2 0,0004 0,0000 0,0001 0,0001 0,0004 0,0000 0,0001 0,0009 0,0016 0,0000
Deviasi (cm): δxi = xi − x +0,02 0,00 -0,01 +0,01 -0,02 0,00 -0,01 -0,03 +0,04 0,00
Nilai terukur: xi (cm) 47,51 47,49 47,48 47,50 47,47 47,49 47,48 47,46 47,53 47,49
(
)
n
N=10
∑x
n
(δxi) = 0,00 ∑ (δxi) ∑ i=1
i
x=
i=1
n
= 474,90
n
2
= 0,0036
i=1
n
Jadi nilai terbaiknya, x =
∑x
i
i=1
n Sedangkan deviasi standartnya,
= 474,90 cm
0,0036 ∑(δxi)2 = 0,007cm = 10(10 − 1) n(n − 1) Kemudian nilai x diinformasikan dalam format: Sx =
(
)
x = x ± sx = (474,9 ± 0,007) cm.
b. Ralat dari hasil perhitungan (pengukuran tidak langsung atau ralat rambatan) Adalah ralat yang timbul sebagai hasil perhitungan, berlaku pada besaran-besaran yang tidak dapat diukur secara langsung. Misal pada penentuan luas suatu meja melalui pengukuran panjang dan lebar (tak ditentukan pengukuran masing-masing satu kali atau lebih). Pengukuran panjang akan menghasilkan ketidak pastian yang sebanding dengan kesalahan pengukuran, demikan pula pada penentuan lebar meja. Ketidakpastian pengukuran panjang dan lebar meja pasti akan memberi kontribusi pada penentuan luas meja. 14
Fisika Kesehatan
Panjang meja Lebar meja Luas meja
L = p × ldan hasilnya dinyatakan dalam : L = (L ± ∂L) m 2
Ketidakpastian ∂p,∂l serta proses p× lakan berkontribusi dalam penentuan . (1.7) Marilah kita interpretasikan secara sederhana arti persamaan (1.7). ∂L Lambang adalah simbol operasi diferensial (turunan) parsial, yaitu ∂p turunan L terhadap salah satu variabelnya, p. Kita tentu tahu bahwa operasi diferensial tersebut menyatakan bagaimana perubahan pada p akan mempengaruhi L; anggap saja seperti pengaruh p dalam penentuan 2 Jelas bahwa 2 L. persamaan (1.7) adalah cara menentukan ketidakpastian ∂pL ∂)pm l ==(l( p ±⎛±∂∂lL ⎞)m 2 ⎛ ∂L ⎞ 2 L dari ketidakpastian ⎜ ⎟ ( ) ∂l= ⎜ ⎟ ∂p + ⎜ ⎟ (∂l) masing-masing variabel dan dari proses interaksinya. ⎝ ∂l⎠ ⎝ ∂p ⎠ 3. Accuracy, Precision, Error dan Uncertainty Penting sekali untuk membedakan beberapa istilah yang sering dijumpai dari hasil pengukuran.
Accuracy (akurasi – ketepatan), adalah suatu ukuran seberapa dekat hasil pengukuran dengan nilai sebenarnya. Jadi nilai ini sebanding dengan ketepatan hasil. Precision (presisi – ketelitian), adalah ukuran seberapa baik hasil pengukuran telah ditentukan tanpa mengacu pada nilai sebenarnya. Ketelitian lebih mengarah pada pengertian seperti kekonsistenan hasil. Alat yang menghasilkan data seperti angka sebelumnya dikatakan alat yang teliti, tidak peduli apakah hasil tersebut tepat atau tidak dengan nilai sebenarnya. Error (ralat – kesalahan), adalah perbedaan antara hasil observasi atau pengukuran dengan nilai sebenarnya.
Pendahuluan 15
Uncertainty (ketidakpastian), berkaitan dengan fluktuasi simpangan data xi terhadap nilai pendekatan terbaik , sebagai gambaran kualitas hasil pengukuran atau perhitungan.
- oOo -
x
16
Fisika Kesehatan
BAB II
BIOMEKANIKA
A. Hukum Newton Tentang Gerak
H
ukum gerak Newton menghubungkan konsep gaya dan konsep gerak. Gaya didefinisikan sebagai tarikan atau dorongan pada suatu benda sehingga menyebabkan benda mengalami perubahan gerak atau perubahan bentuk. Gaya adalah besaran yang memiliki arah, misalnya gaya berat yang arahnya ke bawah. Gaya untuk menggeserkan meja arahnya mendatar. Jadi gaya termasuk besaran vektor (mempunyai nilai dan arah). Untuk menjumlahkan dan mengurangkan suatu gaya dengan gaya lain, berlaku aturan-aturan berhitung vektor. Demikian pula halnya dengan penguraian gaya menjadi komponen-komponennya. Jumlah gaya disebut resultan gaya-gaya yang dijumlahkan. 1. Hukum I Newton Hukum I Newton menyatakan: “Sebuah benda dalam keadaan diam atau bergerak dengan kecepatan konstan, akan tetap diam atau akan terus bergerak dengan kecepatan konstan, kecuali ada gaya-gaya eksternal yang bekerja pada benda itu”. Kecenderungan ini digambarkan dengan mengatakan bahwa benda mempunyai kelembaman. Sehubungan dengan itu, Hukum I Newton disebut juga hukum kelembaman. Secara matematis Hukum I Newton dapat dirumuskan sebagai berikut:
∑F = 0
(2.1)
17
Berdasarkan Hukum I Newton tersebut, berarti untuk benda yang semula diam maka benda tersebut selamanya akan tetap diam. Sedangkan untuk benda yang bererak, akan bergerak terus, kecuali ada gaya yang menghentikannya. Contohnya pada waktu berada di atas kendaraan yang bergerak, kemudian tiba-tiba kendaraan direm, maka penumpang akan terdorong ke depan. Hal ini menunjukkan bahwa penumpang yang sedang bergerak bersama kendaraan cenderung ingin bergerak.
Gambar 2.1 Kelembaman bekerja pada sebuah mobil
2. Hukum II Newton Hukum II Newton menyatakan: “Percepatan sebuah benda berbanding lurus dengan gaya total yang bekerja padanya, dan berbanding terbalik dengan massanya. Arah percepatan sama dengan arah gaya total yang bekerja padanya”: a=
∑F m
atau
∑F = m a
(2.2)
F = gaya (dalam satuan Newton, disingkat N) m = massa benda (kg) a = percepatan (m/s2) Hukum II Newton menghubungkan antara deskripsi gerak dengan penyebabnya, yaitu gaya. Hukum ini merupakan hubungan yang paling dasar pada fisika. 18
Fisika Kesehatan
Gambar 2.2 menunjukkan benda terletak di atas bidang datar yang licin, kemudian dipengaruhi gaya F hingga timbul percepatan a
3. Hukum III Newton Hukum III Newton menyatakan: “Ketika suatu benda memberikan gaya pada benda kedua, benda kedua akan memberikan gaya yang sama besar tetapi berlawanan arah terhadap benda yang pertama”. (2.3)
Faksi = − Freaksi
Hukum ini terkadang dinyatakan juga dengan kalimat :”Untuk setiap aksi ada reaksi yang sama dan berlawanan arah”. Maka hukum III Newton sering dinamakan hukum interaksi atau hukum aksi reaksi. Hukum ini menggambarkan sifat penting dari gaya yaitu bahwa gaya-gaya selalu terjadi berpasangan. Untuk menghindari kesalahpahaman perlu diketahui bahwa gaya aksi reaksi yang berpasangan bekerja pada benda yang berbeda. Sebagai contoh, seseorang yang mendorong mobil yang terpasang rem tangannya, selama itu pula ia merasakan adanya dorongan ke belakang. Hal ini terjadi karena orang tersebut mendapat gaya reaksi dari mobil yang menurut hukum III Newton, sama besar namun berlawanan arah dengan gaya yang diberikan pada mobil tersebut. a. Gaya Gravitasi Menurut Galileo bahwa benda-benda yang dijatuhkan di dekat permukaan bumi akan jatuh dengan percepatan yang sama, (g) jika hambatan udara dapat diabaikan. Gaya yang dapat menyebabkan percepatan g disebut gaya gravitasi. Jika diterapkan hukum II Newton untuk gaya gravitasi, maka untuk percepatan a digunakan percepatan ke bawah atau g yang disebabkan oleh gravitasi. Berat badan kita merupakan gaya gravitasi bumi terhadap tubuh kita; terjadinya varises pada vena merupakan gaya
Bio Mekanika 19
tarik gravitasi bumi terhadap aliran darah yang mengalir secara berlawanan. Dengan demikian, gaya gravitasi FG pada sebuah benda, yang biasa disebut berat benda (diberi lambang W dari kata weight) dapat ditulis sebagai : FG = m .g , atau W = m .g
(2.4)
dengan FG = W = berat benda (N) m = massa benda (kg) g = percepatan gravitasi bumi = 9,8 m/s2 Berat adalah gaya gravitasi bumi (sering disebut gaya tarik bumi), karena itu vektor berat selalu berarah tegak lurus pada permukaan bumi menuju ke pusat bumi. Dengan demikian vekor berat suatu benda di bumi selalu digambarkan berarah tegak lurus ke bawah di manapun posisi benda diletakkan, apakah pada bidang horizontal, pada bidang miring maupun bidang tegak.
Gambar 2.3 Arah vektor berat selalu tegak lurus ke bawah bagaimanapun posisi benda diletakkan
Istilah massa dan berat sering dikacaukan antara satu dengan yang lainnya. Massa tidak sama dengan berat. Massa adalah sifat dari benda itu sendiri (yaitu ukuran inersia benda tersebut, atau jumlah zat nya). Massa juga dapat didefinisikan sebagai sifat intrinsik sebuah benda yang mengukur resistansinya terhadap percepatan. Sedang berat adalah gaya gravitasi yang bekerja pada sebuah benda. Jadi berat badan kita adalah gaya gravitai yang bekerja pada badan kita. Gaya gravitasi pada sebuah benda di dekat permukaan bumi adalah berat benda. Gaya gravitasi yang dikerjakan oleh matahari pada bumi dan planet-planet lain bertanggungjawab untuk 20
Fisika Kesehatan
mempertahankan planet-planet dalam orbitnya mengelilingi matahari. Demikian pula, gaya gravitasi yang dikerjakan oleh bumi pada bulan menjaga bulan dalam orbitnya yang mendekati lingkaran mengelilingi bumi. Gaya gravitasi yang dikerjakan oleh bulan dan matahari pada lautan di bumi bertanggung jawab pada peristiwa pasang surut b. Gaya Normal (N) Gaya gravitasi bekerja pada sebuah benda ketika benda tersebut jatuh. Ketika benda dalam keadaan diam di bumi, gaya gravitasi pada benda tersebut tidak hilang, sebagaimana dapat diketahui jika ditimbang dengan neraca pegas. Dari hukum I Newton, gaya total pada benda yang tetap diam adalah nol. Pasti ada gaya lain dalam benda tersebut untuk mengimbangi gaya gravitasi. Apa bila kita berdiri di atas lantai, lantai tersebut memberikan gaya ke atas. Lantai sedikit tertekan ke bawah oleh tubuh kita dan lantai akan memberikan gaya dorong ke atas. Gaya yang diberikan lantai ini disebut gaya kontak, yang hanya terjadi jika dua benda bersentuhan. Ketika gaya kontak tegak lurus terhadap permukaan kontak , gaya ini disebut gaya normal. Dalam hal ini gaya gravitasi (berat) dengan gaya normal bukan termasuk pasangan gaya aksi reaksi, karena bekerja pada benda yang sama.
Gambar 2.4 Gaya normal adalah gaya sentuh yang arahnya selalu tegak lurus pada permukaan kontak
B. Gaya Pada Tubuh dan Di Dalam Tubuh Gaya didefinisikan sebagai tarikan atau dorongan pada suatu benda sehingga menyebabkan benda mengalami perubahan gerak atau perubahan bentuk. Demikan juga pada tubuh manusia, setiap gerak
Bio Mekanika 21
pada tubuh pasti ada suatu gaya yang bekerja. Ada gaya yang bekerja pada tubuh dan ada gaya yang bekerja di dalam tubuh kita. Gaya pada tubuh dapat diketahui apa bila kita menabrak suatu objek. Sedangkan gaya di dalam tubuh, sering kali tidak kita sadari, misal gaya otot jantung yang menyebabkan mengalirnya darah dan gaya otot paru-paru saat inspirasi dan ekspirasi. Sistem otot dan tulang pada manusia bekerja sebagai sistem pengumpil. Ada tiga macam sistem pengumpil yang bekerja pada tubuh manusia, yaitu : 1. Klas pertama sistem pengumpil Titik tumpuan terletak di antara gaya berat dan gaya otot. (Gambar 2.5) O = titik tumpuan W = gaya berat M = gaya otot
Gambar 2.5
2. Klas kedua sistem pengumpil Gaya berat di antara titik tumpuan dan gaya otot. (Gambar 2.6)
O = titik tumpuan W = gaya berat M = gaya otot
Gambar 2.6
3. Klas ketiga sistem pengumpil Gaya otot terletak di antara titik tumpuan dan gaya berat. (Gambar 2.7)
22
Fisika Kesehatan
O = titik tumpuan W = gaya berat M = gaya otot
Gambar 2.7
Keuntungan Mekanik Iw IM Keuntungan mekanik didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya otot (M) dan O gaya berat (W). G aya berat (W )
G aya otot (M )
Keuntungan mekanik
(K M ) = M W
(2.5)
Oleh karena momen gaya terhadap titik tumpu = 0, maka: W.IW = 0 M.IM = 0
Bio Mekanika 23
atau: W.IW = M.IM Keuntungan mekanik
(KM ) = M W
=
IW IM
(2.6)
Dengan : W = gaya berat (N) M = gaya otot (N) I = momen inersia (kg.m2)
C. Analisis Gaya dan Kegunaan Klinik Gaya adalah konsep pokok dalam ilmu fisika. Bila kita mendorong atau menarik suatu benda, dikatakan kita memberi gaya (force) pada benda tersebut. Gaya merupakan besaran vektor (mempunyai nilai dan arah). Untuk membahas suatu gaya, kita perlu membahas arah beraksinya, maupun besarnya, yang merupakan pernyataan kuantitatif berapa banyak atau berapa kuat gaya tersebut mendorong atau menarik, dalam standar satuan gaya. Gaya yang bekerja pada suatu benda atau juga tubuh manusia bisa gaya vertikal, gaya horizontal dan gaya yang membentuk sudut dengan bidang vertikal atau horizontal. 1. Gaya Vertikal Apabila seseorang berdiri di atas suatu benda, maka orang tersebut memberi gaya terhadap benda tersebut, sedangkan benda akan memberi gaya reaksi yang besarnya sama dengan gaya yang diberikan orang tersebut tetapi arahnya berlawanan (hukum III Newton: aksi = - reaksi).
24
Fisika Kesehatan
Gambar 2.8 Aksi = - reaksi
2. Gaya Horisontal Gaya-gaya dapat digabungkan dengan menggunakan operasional vektor. a. Benda di Atas Lantai kasar Ditarik dengan Gaya Horisontal Benda bermassa m terletak pada lantai kasar, kemudian ditarik dengan gaya horisontal sebesar F (gambar 2.9)
N fk
F W
Gambar 2.9 Balok di atas lantai kasar ditarik dengan gaya horisontal
Bio Mekanika 25
∑ F = ∑ m .a
Maka berlaku:
(2.7)
Ketika dua benda saling bergesekan, ada gaya yang disebut gesekan. Gaya gesek (fk) ini membuat benda sulit bergerak dengan cepat, maka : (2.8) F − fk = m .a fk adalah gaya gesek kinetik yang besarnya : fk = µ k N (2.9) dengan: µk = koefisien gaya gesek kinetik (0< µk <1) N = gaya tekan normal, dengan N=W b. Balok di Atas Lantai Kasar Ditarik Melalui Katrol oleh Benda dengan Gaya Membentuk Sudut dengan Bidang Horisontal Benda bermassa m terletak pada lantai kasar, kemudian ditarik dengan gaya F yang membentuk sudut dengan bidang horisontal.
α∑ F = F
F sin N α
fs
F cos
W
Gambar 2.10 Balok di atas lantai kasar ditarik oleh gaya yang membentuk sudut dengan bidang horisontal
Gaya F diuraikan menjadi komponen-komponennya yaitu F cos dan F sin . Jika benda bergerak, maka berlaku:
F cosα − fk = m .a
26
Fisika Kesehatan
(2.10)
c. Benda di Atas Papan Ditarik Melalui Katrol oleh Benda Lain dalam Arah Vertikal ke Bawah Dua buah benda massanya m1 dan m2 tersusun seperti Gambar 2.11 N T T
licin
W
W
1
2
Gambar 2.11 Benda di atas meja ditarik malalui katrol oleh benda lain dalam arah vertikal ke bawah
Jika benda m2 bergerak turun, maka berlaku:
∑ F = ∑ m .a w 2 − T − T = (m 1 + m 2 ) a m 2 g = (m 1 + m 2 ) a a=
m2 g m1 + m 2
(2.11)
Contoh: 1) Seorang pasien duduk di atas kursi roda dimana massa pasien dan kursi roda adalah 40 kg, kemudian ditarik dengan gaya konstan 100 N arah mendatar ke kanan. Jika koefisien gesekan kinetik antara kursi roda dan lantai = 0,05, hitunglah percepatan kursi roda! Diketahui: m =40 kg, f = 100N, g = 10 ms-1, = 0,05 Ditanyakan: a = ….? Jawab:
∑ F = m .a Bio Mekanika 27
F − fk = m .a F − µ k N = m .a
100 − 0,05.400 = 40a
2) Hitunglah gaya yang diberikan pada kaki oleh peralatan mesin traksi yang ditunjukkan pada gambar berikut ini!
(a)
(b)
100− 2 80 = 40
Jawab: Ada tegangan sebesar 20 kg. 9,8 ms-2 = 200 N sepanjang tali (Gambar a). Dengan demikian ada dua gaya 200 N yang bekerja dengan sudut 37o pada katrol yang di tengah dan pada kaki, Gambar b. Jadi gaya resultan pada kaki adalah: F = 2 (200 N) cos 37o = 400 N . 0,8 = 320 N, yang bekerja ke kanan (kaki dalam keadaan setimbang, sehingga pasti ada gaya 320 N lain yang bekerja pada kaki agar tetap diam, yaitu gaya lawan/reaksi dari otot kaki). 3) Seorang pasien anak sedang menjalani traksi kulit dimana ujung-ujung tali yang tergantung pada katrol saling diikatkan pada kulit betis kaki 28
Fisika Kesehatan
N fk T T W
W
W
B
A
pasien dan pemberat. Kulit pada kaki di atas papan mesin traksi ditarik melalui katrol oleh pemberat dengan arah vertikal ke bawah. Massa betis kaki pasien (mA) 2 kg dan massa pemberat (mB) 3 kg (g=10m/s2). Bila koefisien gesekan kinetik badan pasien dengan papan 0,5 dan gesekan katrol serta massa tali diabaikan, hitunglah: a) percepatan sistem b) tegangan tali Diketahui: mA = 2 Kg mB = 3 kg fk = 0,5 Ditanyakan : a) a = …? b) T = …? Jawab: a) m B .g − µfk .m A .g = (m A + m B ) a 20 =−325.4 a 30 T5mfa= W a B=−=−410 ks= (m A + m B ) a
3.10 − 0,5.2.10 = (3 + 2) a
Jadi percepatan benda B adalah 4 ms-2 b. Perhatikan benda B (pemberat)
W B − T = m B .a T = 30 − 12 = 18N
Jadi tegangan tali adalah 18 N. Aplikasi gaya-gaya tersebut di atas dalam praktik klinik adalah pada mesin traksi, yaitu:
Bio Mekanika 29
a. traksi leher
Gambar 2.12 Traksi leher
b. traksi tulang
Gambar 2.13 Traksi tulang
c. Traksi kepala
Gambar 2.14 Traksi tulang
D. Pusat Massa Pengamatan-pengamatan pada gerak benda menunjukkan bahwa walaupun benda berotasi, atau ada beberapa benda yang bergerak relatif satu dengan yang lainnya, ada satu titik yang bergerak dalam lintasan yang sama dengan yang dilewati partikel jika mendapat gaya yang sama. Titik ini disebut pusat massa (PM). Jadi pusat massa sebuah benda (atau kelompok benda) merupakan titik di mana gaya total dapat dianggap bekerja untuk tujuan menentukan gerak translasi benda sebagai satu kesatuan. Gerak umum benda yang diperluas (atau sistem benda) dapat dianggap sebagai: jumlah gerak translasi dari pusat massa, ditambah gerak rotasi, getaran (vibrasi), atau gerak lainnya di sekitar pusat massa. 30
Fisika Kesehatan
Sebagai contoh, perhatikan gerak pusat massa penerjun (Gambar 2.15) : pusat massa mengikuti lintasan parabola bahkan ketika si penerjun berotasi, sebagaimana ditunjukkan (gambar 2.15b). Lintasan ini sama dengan lintasan parabola yang dibentuk partikel yang ditembakkan jika hanya mengalami gaya gravitasi (yaitu gerak peluru). Titik-titik lain pada tubuh penerjun yang berotasai mengikuti lintasan yang lebih rumit.
Gambar 2.15 Pusat massa penerjun mengikuti lintasan parabola
Gambar 2.16 Dua buah partikel berada pada sumbu X pada posisi X1 dan X2
Pusat massa didefinisikan sebagai berikut, kita dapat menganggap benda yang diperluas terdiri dari banyak partikel kecil. Tetapi pertama kita bayangkan sebuah sistem yang hanya terdiri dari dua partikel, dengan massa m 1 dan m 2 . Kita pilih koordinat sedemikian sehingga kedua partikel berada pada sumbu x pada posisi x1 dan x2 ( gambar 2.16). Pusat massa sistem ini didefinisikan pada posisi x PM yang dinyatakan dengan:
Bio Mekanika 31
xPM =
m 1x1 + m 2 x2 m 1x1 + m 2 x2 = m1 + m 2 M
(2.12a)
di mana M = m1 + m2 adalah massa total sistem. Pusat massa berada pada garis yang menghubungkan m1 dan m2. Jika kedua massa sama (m1 = m2 = m), xPM berada di tengah antara keduanya, karena dalam hal ini
xPM =
m ( x1 + x2 ) ( x1 + x2 ) = 2m 2
[massa sama]
Jika suatu massa lebih besar dari yang lain, katakanlah m1>m2, maka PM lebih dekat ke massa yang lebih besar. Jika ada lebih dua partikel sepanjang garis, akan ada suku-suku tambahan pada persamaan (2.12a), sebagaimana ditunjukkan oleh contoh pada gambar 2.17 berikut ini: Contoh:
X =0
1,0 m
5,0 m
6,0 m
Gambar 2.17
Tiga orang yang kurang lebih memiliki massa yang sama m pada perahu pisang (diisi udara) yang ringan duduk sepanjang sumbu x pada posisi x1 = 1,0 m, x2 = 5,0 m, dan x3 =6,0 m. Carilah posisi PM! Jawab: Kita gunakan persamaan 2.12a dengan menambahkan suku ketiga:
xPM =
32
m x1 + m x2 + m x3 m (x1 + x2 + x3 ) = m +m +m 3m
Fisika Kesehatan
=
(1,0m + 5,0m + 6,0m ) = 12,0m 3
3
= 4,0m
Jika partikel-partikel tersebut dalam dua atau tiga dimensi, kita tidak hanya perlu menspesifikasi sumbu x dari PM saja (xPM), tetapi juga koordinat y dan z, yang akan dinyatakan oleh rumus seperti persamaan 2.12a. Sebagai contoh untuk partikel dengan massa m1 dan m2, yang koordinat y-nya adalah y1 dan y2, berturut-turut, koordinat y dari PM mereka adalah: xPM =
m 1 y1 + m 2 y2 m 1 y1 + m 2 y2 = m1 + m 2 M
(2.12b)
Untuk partikel yang lebih banyak, akan ada lebih banyak suku pada rumus ini. Sebuah konsep yang hampir sama dengan pusat massa adalah pusat gravitasi (PG). Pusat gravitasi sebuah benda adalah titik di mana gaya gravitasi bisa dianggap bekerja. Tentu saja gaya gravitasi sebenarnya bekerja pada semua bagian atau partikel pada benda, tetapi untuk tujuan menentukan gerak translasi benda sebagai satu kesatuan, kita dapat menganggap bahwa seluruh berat benda tersebut (yang merupakan jumlah berat semua bagiannya) bekerja pada pusat gravitasi. Jadi terdapat perbedaan konseptual antara pusat gravitasi dengan pusat massa, tetapi untuk tujuan praktis, keduanya biasanya merupakan titik yang sama.
Gambar 2.18
Gambar 2.19
Seringkali lebih mudah untuk menentukan PM atau PG dari sebuah benda yang diperluas secara eksperimen dan bukan analitis. Jika sebuah benda digantungkan dari titik mana saja, ia akan berayun (gambar 2.18)
Bio Mekanika 33
kecuali jika ditempatkan sedemikian rupa sehingga PG berada pada garis vertikal persis di bawah titik di mana benda tersebut digantungkan. Jika benda tersebut dua dimensi, atau mempunyai bidang simetri, ia hanya perlu digantungkan dari dua titik sumbu yang berbeda dan garis vertikal (pengukur) yang digambar. Dengan demikian pusat gravitasi akan berada pada perpotongan dua garis seperti pada gambar 2.19. Jika benda tidak memiliki bidang simetri, PG terhadap dimensi ketiga didapat dengan menggantungkan benda dari setidaknya tiga titik yang garis ukurnya tidak berada pada bidang yang sama. Untuk benda-benda yang berbentuk simetris seperti silinder (roda), bola dan benda padat persegi, PG terletak di pusat geometri benda tersebut.
E. Pusat Massa untuk Tubuh Manusia Jika kita memiliki sekelompok benda yang diperluas, yang masingmasing PM nya diketahui, kita dapat menentukan PM kelompok tersebut dengan menggunakan persamaan 2.12a dan 2.12b. Sebagai contoh, perhatikan tubuh manusia. Tabel 2.1 menunjukkan PM dan titik engsel (sendi) untuk komponen yang berbeda dari seorang yang representative. Tabel 2.1 Pusat massa dari Bagian-bagian Tubuh Manusia (tinggi dan massa penuh = 100 satuan)
Tentu saja, ada berbagai variasi di antara tubuh manusia satu dengan yang lainnya, sehingga data ini hanya merupakan perkiraan kasar. Perhatikan bahwa angka-angka tersebut menyatakan persentase dari 34
Fisika Kesehatan
ketinggian total, yang dianggap sebagai 100 satuan; dengan cara yang sama massa total adalah 100 satuan. Dengan demikian, sebagai contoh, jika seseorang mempunyai tinggi 1,70 m, sendi bahunya akan berada kira-kira (1,70 m)(81,2/100) = 1,38 m di atas lantai. Contoh: Tentukan posisi pusat massa (PM) satu kaki (sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.19) jika : (a) kaki diluruskan, (b) kaki ditekuk 90o, Anggap tinggi orang tersebut 1,70 m. Jawab: (a) Tabel 2.1 menggunakan satuan persentase, yang berarti orang tersebut mempunyai massa 100 satuan dan tinggi seratus satuan. Pada ahirnya kita dapat mengalikan dengan (1,70 m/100). Kita ukur Gambar 2.20 jarak dari sendi pinggul dengan menggunakan Tabel 2.1 dan didapat angka-angka yang ditunjukkan pada gambar 2.20a. Dengan menggunakan persamaan 2.12a, kita dapatkan: xPM =
(21,5)(9,6) + (9,6)(33,9) + (3,4)(50,3) = 20,4 satuan 21,5 + 9,6 + 3,4
Dengan demikian, pusat massa kaki dan telapaknya adalah 20,4 satuan dari sendi pinggul, atau 52,1-20,4 = 31,7 satuan dari dasar telapak kaki. Karena tinggi orang tersebut 1,70 m, angka ini berarti (1,70 m)(31,7/100) = 0,54 m. (b). Pada bagian ini kita menghadapi masalah dua dimensi. Kita gunakan sistem koordinat xy, sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.20b. Pertama kita hitung seberapa jauh ke arah kanan dari sendi pinggul, PM tersebut berada:
Bio Mekanika 35
xPM =
(21,5)(9,6) + (9,6)(23,6) + (3,4)(23,6) = 14,9 satuan 21,5 + 9,6 + 3,4
Untuk orang dengan tinggi 1,70 m, ini berarti (1,70 m)( 14,9/100)= 0,25 m. Berikutnya kita hitung jarak yPM dari PM di atas lantai: yPM =
(3,14)(1,8) + (9,6)(18,2) + (21,5)(28,5) = 23,1satuan 21,5 + 9,6 + 3,4
atau (1,70m)(23,1/100) = 0,39 m. Dengan demikian, PM terletak 39 cm di atas tanah dan 25 cm ke kanan sendi pinggul. Pusat massa juga bisa berada di luar tubuh. Satu contoh sederhana dari atletik ditunjukkan pada gambar 2.21. Jika para atlit peloncat tinggi dapat mencapai posisi pada gambar, PM mereka sebenarnya dapat melewati bagian bawah palang, sementara tubuh mereka lewat di atasnya, yang berarti bahwa untuk suatu laju loncatan tertentu, mereka dapat melewati palang yang lebih tinggi. Inilah yang sebenarnya mereka coba lakukan. Contoh lain adalah donat yang PM nya berada di pusat lingkaran. Pengetahuan mengenai pusat massa tubuh dengan berbagai posisi sangat membantu dalam mempelajari mekanika tubuh.
Gambar 2.21 PM atlit loncat tinggi sebenarnya berada di bawah palang
F. Torsi Bila anda akan memutar sebuah gasing, anda memuntirnya. Dalam gambar 2.22a, sebuah cakram yang diam mendatar pada permukaan 36
Fisika Kesehatan
Gambar 2.22
τ i = Fil = Firi sinθ
horizontal dibuat berputar oleh gaya F1 dan F2 bekerja pada tepi cakram. Ingat bahwa lokasi titik tangkap gaya-gaya ini adalah penting. Kedua gaya yang sama itu bila dikerjakan sedemikian rupa hingga garis kerjanya melalui pusat cakram, seperti pada gambar 2.22b, tidak akan menyebabkan cakram berputar. (Garis kerja sebuah gaya adalah garis seberapa panjang gaya itu bekerja). Jarak tegak lurus antara garis kerja sebuah gaya dan sumbu rotasi dinamakan lengan gaya tersebut atau lengan torsi. Hasil kali sebuah gaya dengan lengannya disebut torsi (huruf kecil dari abjad Yunanai tau). Torsi yang diberikan pada sebuah benda oleh sebuah gaya adalah besaran yang mempengaruhi kecepatan anguler benda tersebut. Percepatan sudut dari sebuah benda berbanding lurus dengan torsi total yang diberikan. Gambar 2.23a menunjukkan bahwa gaya Fi yang bekerja pada partikel I dari sebuah cakram. Lengan gaya ini adalah: l = ri sin θ , dengan θ adalah sudut antara gaya Fi dan vektor posisi ri ke titik tangkap gaya. Jadi besar torsi yang diberikan oleh gaya ini adalah: (2.13) Karena torsi merupakan jarak dikalikan gaya, maka diukur dalam satuan N.m pada satuan SI, atau dyne cm pada sistem cgs, dan lb.ft dalam sistem Inggris.
Gambar 2.23
Bio Mekanika 37
Contoh: Otot bisep memberikan gaya ke atas pada lengan bawah sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.24a dan 2.24b. Untuk masing-masing kasus hitunglah torsi sekitar sumbu rotasi melalui sendi siku, dengan menganggap bahwa otot melekat 5,0 dari siku sebagaimana digambarkan. Jawab: (a). F = 700 N dan r = 0,050 m, sehingga : τ = F .r = (700N )(0,050m ) = 35 N .m (b). Karena lengan membentuk sudut, lengan gaya lebih pendek (gbr 2.22c) : maka r = (0,050m) (sin 60o), F tetap 700N, jadi:
τ = F.r =
Lengan dapat memberikan torsi yang lebih kecil pada sudut. Mesin pada gymnasium sering dirancang dengan memperhitungkan variasi sudut ini.
Gambar 2.24
G. Energi Potensial Gravitasi Suatu sistem dikatakan mempunyai energi jika sistem tersebut memiliki kemampuan untuk melakukan usaha. Dari ketentuan di atas maka ada hubungan yang erat antara energi dan usaha, yaitu energi adalah usaha yang akan timbul. Dengan kata lain besarnya energi suatu sistem sama dengan besarnya usaha yang mampu ditimbulkan sistem tersebut. Dengan demikian satuan energi sama dengan satuan usaha. Energi pun juga merupakan besaran skalar (besaran yang mempunyai nilai tetapi tidak mempunyai arah).
38
Fisika Kesehatan
Pada gambar 2.24 menggambarkan benda yang digantung. Jika tiba-tiba penggantung putus, benda akan jatuh, maka benda melakukan usaha karena gaya beratnya menempuh jarak selama jatuh. Ini berarti sebelum benda jatuh, benda tersebut memiliki tenaga (energi). Pada sistem ini benda memiliki kesanggupan untuk melakukan usaha oleh karena keadaan tempatnya. Jenis tenaga yang demikian disebut tenaga tempat atau energi potensial (Ep).
Gambar 2.24 Jika massa benda m dan letaknya di atas tanah setinggi h maka besarnya energi potensial benda sama dengan usaha yang dilakukan gaya beratnya selama jatuh, atau dapat dituliskan dengan persamaan:
E p = w .h E p = (m .g).h
E p = m .g .h
(2.14)
di mana: Ep = energi potensial dalam Joule (J) m = massa benda dalam kilogram (kg) g = percepatan gravitasi dalam m.s-2 h = tinggi benda di atas tanah dalam meter (m)
H. Energi Kinetik Setiap benda yang berada dalam keadaan bergerak selalu memiliki kemampuan untuk melakukan usaha. Suatu contoh misalnya sebuah mobil yang bergerak, tiba-tiba menumbuk benda di depannya, maka benda tersebut akan didorong oleh gaya tekan mobil hingga menggeser, maka mobil tersebut telah melakukan usaha. Jadi mobil yang berada dalam keadaan bergerak, memiliki tenaga atau energi. Tenaga yang dimiliki oleh benda yang bergerak disebut tenaga gerak atau energi kinetik (Ek). Jika massa benda m, kecepatan gerak v, menurut hasil eksperimen besarnya energi kinetik dirumuskan sebagai berikut:
Bio Mekanika 39
Ek =
1 m .v2 2
(12.15)
dengan: Ek = energi kinetik dalam Joule (J) m = massa benda (kg) v
= kecepatan benda (ms-1)
- oOo -
40
Fisika Kesehatan
BAB III
BUNYI A. Pendahuluan
G
elombang bunyi merupakan gelombang longitudinal (gelombang yang partikelnya bergerak sejajar dengan arah rambatannya) yang terjadi karena perapatan dan perenggangan dalam medium gas, cair atau padat. Gelombang bunyi dihasilkan dari getaran partikel-partikel benda yang saling beradu satu sama lain sehingga menghasilkan Energi. Energi dipindahkan dari sumber dalam bentuk gelombang longitudinal dan kemudian dapat dideteksi oleh telinga atau suatu alat.
B. Laju Gelombang Bunyi Laju bunyi bergantung pada sifat medium. Laju gelombang bunyi berbeda untuk materi yang berbeda. Untuk gelombang bunyi dalam fluida seperti udara atau air laju gelombang bunyi (v) dinyatakan dalam persamaan (3.1). v=
B
ρ
(3.1)
dengan ρ adalah kerapatan materi dan B adalah modulus elastis. Pada udara di 0oC dan 1 atm, bunyi merambat dengan laju 331 m/s. Ada dua aspek dari setiap bunyi yang dirasakan oleh pendengaran manusia, yaitu kenyaringan dan ketinggian , dan masing-masing menyatakan sensasi dalam kesadaran pendengar. Untuk masing-masing sensasi subyektif ini, ada besaran yang dapat diukur secara fisis.
Bunyi 41
Kenyaringan berhubungan dengan energi pada gelombang bunyi. Sedang ketinggian bunyi menyatakan apakah bunyi tersebut tinggi, seperti bunyi suling atau biola, atau rendah seperti bunyi bas dram atau senar bass. Besaran fisika yang menyatakan ketinggian adalah frekuensi. Makin rendah frekuensi, makin rendah pula ketinggian, demikian juga sebaliknya. Telinga manusia dapat mendengar frekuensi antara 20 Hz sampai 20.000 Hz (1 Hz adalah 1 siklus per detik). Rentang nilai frekuensi ini disebut frekuensi pendengaran atau audio frekuensi yang nilainya kadang berbeda antara manusia satu dangan yang lain. Gelombang bunyi dengan frekuensi kurang dari 20 Hz disebut infrasonik. Frekuensi ini tidak dapat didengar telinga manusia tetapi dapat dirasakan getarannya. Infrasonik dapat ditimbulkan oleh getaran tanah, gempa bumi, guntur, gunung berapi, bangunan maupun truk mobil yang apa bila mengenai tubuh kadang menimbulkan perasaan kurang nyaman (discomfort), kelesuan (fatique) dan perubahan pendengaran. Gelombang frekuensi rendah ini bekerja secara resonansi, menyebabkan gerakan dan iritasi yang cukup besar pada organ-organ di dalam tubuh. Gelombang bunyi dengan frekuensi di atas 20.000 Hz disebut ultrasonik. Gelombang bunyi pada frekuensi ini tidak dapat didengar oleh telinga manusia. Gelombang ultrasonik mempunyai aplikasi klinik dalam bidang kedokteran yang akan dibahas dalam bab selanjutnya.
C. Intensitas Bunyi Sebagaimana ketinggian, kenyaringan juga merupakan sensasi dalam kesadaran manusia. Ketinggian juga berhubungan dengan intensitas gelombang. Intensitas gelombang didefinisikan sebagai energi yang dibawa sebuah gelombang per satuan waktu melalui satuan luas. (3.2) I = intensitas bunyi (Watt/m2) P = daya (Watt) A = luas (m2) 42
Fisika Kesehatan
I=
ene
Telinga manusia dapat mendeteksi bunyi dengan intensitas antara 10-12W/m2 sampai 1 W/m2. Tingakat intensitas bunyi biasanya dinyatakan dengan skala logaritmik. Satuan skala ini adalah bel, dari Alexander Graham Bell (18471922), penemu telepon, atau lebih umum decibel (dB), yang merupakan 1 bel (10 dB = 1 bel). Intensitas bunyi ( β ) didefinisikan dalam 10 intensitasnya : (3.3) di mana I0 adalah intensitas tingkat acuan, dan logaritma adalah dari basis 10. I0 biasanya diambil dari intensitas minimum yang dapat didengar rata-rata, yaitu ambang pendengaran yang bernilai I0 = 1,0 × 10-12 W/m2. Tingkat intensitas bunyi yang intensitasnya 1,0 × 10-10 W/m2 misalnya, akan sebesar
⎡1,) 0=×10 10log⎤ β β( =dal 10am logdB = 10log100= 20dB ⎢ −12 ⎥ −10
⎣1,0× 10
I ⎦I0
D. Telinga Telinga manusia merupakan detektor bunyi yang sangat sensitive. Fungsi telinga adalah untuk secara efisien merubah energi getaran dari gelombang menjadi sinyal listrik yang dibawa ke otak melalui saraf. Hal ini sama dengan mikrofon di mana gelombang bunyi yang mengenai diafragma mikrofon akan menggetarkannya, dan getaran ini diubah menjadi sinyal listrik dengan frekuensi yang sama, kemudian dikuatakan oleh amplifier dan dikirim ke pengeras suara. Telinga dibagi menjadi tiga bagian utama: telinga luar, telinga tengah, dan telinga dalam. Di telinga luar, gelombang bunyi dari luar merambat sepanjang saluran telinga ke gendang telinga (timpani), yang bergetar sebagai tanggapan terhadap gelombang yang menimpanya.
Bunyi 43
Lubang Eustasius
Gambar 3.1 Diagram telinga manusia
Telinga tengah terdiri dari tiga tulang kecil yang dikenal dengan nama martil landasan dan sanggurdi , yang memindahkan getaran gendang telinga ke telinga dalam jendela oval. Sistem pengungkit yang halus ini digabungkan dengan daerah yang relative luas dari gendang telinga jika dibandingkan dengan luas jendela oval, menghasilkan tekanan yang dikuatkan dengan faktor sekitar 40. Telinga dalam terdiri dari saluran-saluran setengah lingkaran, yang penting untuk mengendalikan keseimbangan, dan rumah siput yang berisi cairan, di mana energi getaran dari gelombang bunyi diubah menjadi energi listrik dan dikirim ke otak.
Gambar 3.2 Diagram Rumah Siput
Getaran bunyi merambat dari jendela oval, menempuh saluran vestibular dan kembali ke atas saluran timpani. Karena adanya viskositas cairan, terjadi peredaman yang cukup 44
Fisika Kesehatan
besar, tetapi energi yang tersisa dibuang melalui jendela bundar di ujung saluran timpani. Antara dua saluran ini ada saluran ke tiga, yang disebut sebagi pembuluh rumah siput . Pada membran yang memisahkan pembuluh rumah siput dengan saluran timpani (membrane basilar) terdapat organ Corti yang berisi sekitar 30.000 ujung saraf. Sementara gelombang tekanan melewati saluran timpani, gelombang ini menyebabkan riak-riak di membran basilar dan organ Corti yang melekat pada saluran ini. Pada saluran ini lah energi diubah menjadi impuls listrik dan dikirim ke otak melalui saraf pendengaran. Membran basilar mengalami tegangan yang kemudian berkurang dan membran menjadi lebih tebal dari telinga tengah menuju rumah siput. Hasil percobaan dapat diketahui bahwa ujung yang lebih tebal dan tidak terlalu tegang akan lebih sensitif terhadap frekuensi rendah, sedang ujung yang lebih tegang dan tipis lebih sensitive terhadap frekuensi tinggi, fakta ini penting dalam perasaan kita terhadap tinggi bunyi. Tingkat kepekaan telinga tiap manusia tidak sama sensitifitasnya untuk semua frekuansi. Untuk mendengar kenyaringan yang sama dari bunyi yang frekuensi berbeda, dibutuhkan intensitas yang berbeda. Pada grafik 3.1, setiap kurva mempresentasikan tingkat kenyaringan (satuannya decibel phon) yang secara numerik sama dengan tingkat intensitas dalam dB pada 1000 Hz.
Grafik 3.1
Bunyi 45
Sebagai contoh, kurva yang diberi label 40 mempresentasikan bunyi yang terdengar memiliki kenyaringan yang sama dengan bunyi 1000 Hz dengan tingkat intensitas 40 dB. Dari kurva 40-phon dapat dilihat bahwa nada 100 Hz harus memiliki intensitas sekitar 62 dB agar terdengar sekeras (untuk orang rata-rata) nada 1000 Hz dengan hanya 40 dB. Kurva yang paling rendah (diberi label 0) menggambarkan tingkat intensitas sebagai fungsi frekuensi untuk bunyi yang paling lembut yang hampir tidak terdengar oleh telinga yang sangat baik. Dari grafik dapat dilihat bahwa telinga paling sensitive terhadap bunyi dengan frekuensi 200 dan 4000 Hz, sementara bunyi 1000 Hz terdengar pada tingkat 0 dB, bunyi pada 100 Hz paling tidak harus 40 dB agar terdengar. Kurva paling atas yang diberi label 120, menggambarkan ambang rasa sakit. Bunyi di atas tingkat ini bisa dirasakan dan dapat menyebabkan rasa sakit. 1. Hilang Pendengaran Hilang pendengaran atau tuli ada dua macam, yaitu tuli konduksi dan tuli persepsi (tuli saraf). a. Tuli Konduks, tuli ini bersifat sementara, disebabkan vibrasi suara tidak bisa sampai ke telinga bagian tengah oleh karena adanya malam/wax/serumen atau adanya cairan telinga di bagian tengah. Apabila tuli konduksi tidak dapat pulih kembali, dapat dibantu dengan menggunakan alat bantu pendengaran (hearing aid). b. Tuli Persepi, bisa terjadi hanya sebagian kecil frekuensi saja atau seluruh frekuensi yang tidak dapat didengar. Tuli persepsi sampai saat ini belum bisa disembuhkan. c. Tuli Campuran, merupakan campuran antara tuli konduksi dan tuli persepsi. 2. Tes Pendengaran Untuk mengetahui tuli konduksi atau tuli saraf dapat dilakukan tes pendengaran. Dalam perkembangannya, seiring dengan kemajuan teknologi moderen, tes pendengaran semakin disempurnakan. Beberapa jenis tes pendengaran yang dapat di lakukan adalah:
46
Fisika Kesehatan
a. Tes Berbisik Dahulu tes pendengaran dilakukan dengan suara berbisik atau bicara pada jarak tertentu dan penderita disuruh menirukannya (Voice test). Dengan cara ini dapat diketahui secara kasar apakah penderita yang diperiksa tuli atau tidak. Telinga normal dapat mendengar suara berbisik dengan tone atau nada rendah. Misal suara konsonan, dan platal : b, p, t, m, n pada jarak 5-10 meter. Sedang suara berbisik dengan nada tinggi menggunakan nada suara desis atau sibiland: s, z, ch, sh, shel pada jarak 20 m. b. Tes Garputala Pada tahun 1855, Rinne, Weber dan Schwabach mengadakan pemeriksaan dengan garputala dari bermacam-macam frekuensi. Pemeriksaan ini didasarkan pada fisiologi pendengaran bahwa suara dapat didengar melalui hantaran udara dan hantaran tulang. Dengan cara ini dapat diketahui ketulian secara kualitatif yaitu tuli konduktif, tuli sensori neural (tuli saraf) dan tuli campuran. Frekuensi garputala yang digunakan adalah C128, C1024, dan C2048. 1) Tes Weber, dilakukan dengan menggetarkan garputala C128, kemudian diletakkan pada vertex dahi/puncak dari vertex. Pada penderita tuli konduksi akan terdengar terang pada telinga yang sakit. Sedang pada penderita tuli persepsi, getaran garputala terdengar terang pada telinga normal. Misal telinga kanan yang terdengar terang, maka hasil tes disebut Weber lateralisasi ke kanan. 2) Tes Rinne, tes ini membandingkan antara konduksi bunyi melalui tulang dan udara. Garputala C 128 digetarkan, kemudian diletakkan pada prosesus mastoideus (di belakang telinga). Setelah tidak mendengar getaran lagi, garputala dipindahkan di depan liang telinga, kemudian penderita ditanya apakah masih mendengar bunyi garputala. Pada telinga normal, konduksi melalui udara 85-90 detik dan konduksi melalui tulang 45 detik. Hasil tes dinyatakan dengan Tes Rinne Positif (Rinne + ) apabila pendengaran penderita baik, begitu juga pada penderita tuli persepsi. Sedangkan hasil tes dinyatakan Tes Rinne Negatif (Rinne - ) pada penderita tuli konduksi di mana jarak waktu konduksi tulang mungkin sama atau bahkan lebih panjang.
Bunyi 47
3) Tes Schwabach, tes ini membandingkan antara jangka waktu konduksi tulang melalui verteks atau prosesus mastoideus penderita terhadap konduksi tulang pemeriksa. Pada tuli konduksi, konduksi tulang penderita lebih panjang dari pada konduksi tulang pemeriksa. Sedangkan pada tuli persepsi, konduksi tulang penderita sangat pendek. Garputala C 2048 digunakan untuk memeriksa ketajaman pendengaran terhadap nada tinggi. Pada manusia usia lanjut dan tuli persepsi akan kehilangan pendengaran terhadap nada tinggi. c. Audiometer Seiring dengan perkembangan yang pesat di bidang elektroakustik, maka tes pendengaran semakin disempurnakan. Pada saat ini telah diciptakan bermacam-macam alat elektro-akustik yang disebut audiometer. Seiring dengan perkembangan teknologi modern, saat ini juga telah dikembangkan audiometer terkomputerisasi di mana hasil pemeriksaan dan analisis dapat langsung ditampilkan pada komputer. Audiometer dapat menghasilkan nada-nada tunggal dengan frekuensi dan intensitas yang dapat diukur. Komponen utama terdiri dari dua bagian, yaitu sumber getaran dan peredam intensitas (attenuator). Sumber getaran untuk nada murni adalah sebuah alat yang disebut oscillator. Frekuensi yang dikehendaki oleh pemeriksa dapat diatur dengan memutar tombol (dial). Kemudian dengan menekan tombol penyaji, bunyi tersebut dapat diterima oleh probandus melalui head phones untuk hantaran udara dan melalui vibrator untuk hantaran tulang. Audiometer yang banyak dipakai sekarang dapat menghasilkan frekuensi-frekuensi 125, 250, 500, 750, 1000, 1.500, 2000, 3000, 4000, 6000, dan 8000 Hz. Vibrator untuk pemeriksaan hantaran tulang hanya dapat menghasilkan frekuensi antara 250 - 4000 Hz. Attenuator atau peredam intensitas adalah alat untuk mengatur intensitas bunyi sesuai dengan kebutuhan pemeriksaan. Intensitas tertinggi 120 dB dan terendah -10 dB, dengan jenjang penurunan biasanya 5 dB. Vibrator Untuk pemeriksaan hantaran tulang biasanya hanya dapat menghasilkan intensitas tertinggi 60 dB pada frekuensi tengah, dan 20 dB pada frekuensi rendah. 48
Fisika Kesehatan
Kalibrasi atau peneraan angka 0 dB pada audiometer saat ini dipakai penetapan menurut standar ISO 1964 (International Standardation Organisation). ISO 1964 dibuat berdasarkan telinga normal oang-orang dewasa dari berbagai bangsa. Untuk vibrator kalibrasi digunakan dari ANSI 1969 (American National Standards Institute). Nilai 0 dB dari hantaran tulang ANSI 1969 diperoleh dari ambang rata-rata telinga orang dewasa normal antara 18–30 tahun. Pemeriksaan dengan audiometer bertujuan untuk menentukan nilai ambang pendengaran, yaitu frekuensi yang dikaitkan dengan nineau bunyi (dB). Hasil pemeriksaan dengan menggunakan audiometer digambarkan dalam bentuk tabel maupun grafik yang disebut audiogram. Ambang pendengaran untuk setiap frekuensi hantaran udara telinga kanan digambarkan dengan tanda bulatan kecil (o), sedang untuk telinga kiri digambarkan dengan tanda silang (x). Tiap tipe ketulian akan memberikan gambaran audiogram yang khas, sedang derajat ketulian ditentukan dengan mengambil nilai rata-rata dari frekuensi percakapan 500, 1000 dan 2000 Hz. Tabel 3.1 Scale Of Hearing Impairment Hearing Loss (dB) -10 – 26 27 – 40 41 – 55 56 – 70 71 – 90 91 plus
Descriptive Term Normal Limite Mild hearing loss Moderate hearing loss Moderate Severe hearing loss Severe hearing loss Profaund hearing loss
Pemeriksaan pendengaran dengan audiometer dapat diketahui keadaan fungsi pendengaran masing-masing telinga baik secara kualitatif (pendengaran normal, tuli konduksi, tuli persepsi/ neural dan tuli campuran) maupun secara kuantitatif (normal, tuli ringan, tuli sedang dan tuli berat).
Bunyi 49
E. Kebisingan Bunyi biasa seperti yang dihasilkan dengan memukulkan dua batu, merupakan bunyi yang mempunyai kualitas tertentu, tetapi ketinggian yang jelas tidak dapat dilihat. Bunyi seperti ini merupakan campuran dari banyak frekuensi yang sedikit hubungannya satu sama lain. Bunyi seperti ini disebut kebisingan. Bising didefinisikan sebagai bunyi yang tidak dikehendaki yang berasal dari aktivitas alam seperti bicara manusia, dan buatan manusia seperti bunyi mesin. Kebisingan mempengaruhi kita baik secara psikologis maupun fisiologis. Kadang-kadang kebisingan hanya merupakan gangguan biasa, tetapi kebisingan yang keras dapat menyebabkan kehilangan pendengaran yang saat ini menjadi permasalahan di pabrik-pabrik dan tempat industri. Kehilangan pendengaran karena tingkat kebisingan yang berlebihan ditemukan oleh orang Romawi kuno. Kebisingan menyebabkan kehilangan pendengaran yang serius pada frekuensi 2000-5000 Hz yang merupakan daerah penting untuk percakapan dan musik. Kebisingan dapat diukur dengan sound level meter yang dapat mengukur kebisingan antara 30-130 dB dan frekuensi 20-20.000 Hz. 1. Pembagian Kebisingan Kebisingan dapat dibagi menjadi beberapa kategori, yaitu: a. Berdasarkan frekuensi, tingkat tekanan bunyi, tingkat bunyi dan tenaga bunyi: 1) Audible Noise (bising pendengaran), disebabkan oleh frekuensi bunyi antara 32,5-8000 Hz. 2) Occupational Noise (bising yang berhubungan dengan pekerjaan), disebabkan oleh bunyi mesin industri/pabrik, mesin ketik dan sebagainya. 3) Impuls Noise ( Impact noise=bising impuls), terjadi akibat adanya bunyi yang menyentak, misal pukulan palu, ledakan meriam. b. Berdasarkan waktu terjadinya : 1) Bising kontinyu dengan spektrum luas (misal karena mesin, kipas angain), sempit (misal bunyi gergaji, penutup gas), bising terputus-putus atau intermitten (misal lalu lintas, bunyi pesawat terbang di udara) 50
Fisika Kesehatan
2) Bising sehari penuh (full time noise) dan bising setengah hari (part time noise) 3) Bising terus menerus (steady noise) dan Bising impulsife (impuls noise) atau pun bising sesaat (letupan). Tingkat kebisingan berdasarkan intensitas disajikan dalam tabel 3.2 sebagai berikut: Table 3.2 Skala intensitas kebisingan Tingkat kebisingan Menulikan
Intensitas (dB) 120 110
100 Sangat hiruk pikuk
90
80 Kuat
70
60 Sedang
50
40 Tenang
30
20 Sangat tenang
10
Batas dengar tertinggi Halilintar Meriam Mesin uap Jalan hiruk pikuk Perusahaan sangat gaduh Pluit polisi Kantor gaduh Jalan pada umumnya Radio Perusahaan Rumah gaduh Kantor umumnya Percakapan kuat Radio perlahan Rumah tenang Kantor perorangan Auditorium Percakapan Bunyi daun Berbisik Batas dengan terendah
0 2. Pengaruh Kebisingan terhadap Kesehatan Kebisingan dapat menyebabkan rusaknya indera pendengaran. Kerusakan atau gangguan sistem pendengaran akibat kebisingan adalah:
Bunyi 51
a. Hilang pendengaran sementara/temporer, dapat pulih kembali apa bila bising tersebut dapat dihindarkan. b. Orang menjadi kebal terhadap bising c. Telinga berdengung d. Hilang pendengaran/tuli permanen dan tidak pulih kembali, biasanya dimulai pada frekuensi 4000 Hz kemudian semakin hebat dan meluas pada frekuensi sekitarnya hingga mengenai frekuensi percakapan. Hal ini dapat dilihat pada grafik 3.2
Grafik 3.2 Grafik hilang daya dengar sementara dan pemulihannya Secara psikis, kebisingan dapat menggangu konsentrasi dan meningkatnya kelelahan. Sedangkan secara fisiologis, berdasarkan penelitian yang telah dilakukan di Jerman menunjukkan pekerja yang mengalami kebisingan dapat menyebabkan gangguan hormonal, sistem saraf, dan merusak metabolisme. Para ahli Rusia menemukan pekerja-pekerja industri mengalami perubahan saluran darah, dan timbul brady cardia (denyut jantung lemah), fisik lesu dan mudah terangsang.
52
Fisika Kesehatan
3. Pencegahan Ketulian dari Kebisingan Prinsip pencegahan ketulian dari kebisingan adalah menjauhi dari sumber bising, hal ini dapat dilakukan dengan cara: a. Mesin atau alat-alat yang menghasilkan bising diberi pelumas. b. Membuat tembok pemisah antara sumber bising dengan tempat kerja. c. Para pekerja diharapkan memakai pelindung telinga seperti ear muff (penutup telinga), ear plug (penyumbat telinga), woll katun atau woll sintesis.
F. Efek Doppler Apa bila sumber bunyi bergerak mendekati pengamat/pendengar, ketinggian nada lebih tinggi dari pada ketika sumber tersebut dalam keadaan diam; dan ketika sumber bunyi menjauh dari pengamat, ketinggian nada lebih rendah. Fenomena ini dikenal sebagai efek Doppler. Perhatikan sirine mobil ambulan ketika dalam keadaan diam, yang memancarkan bunyi dengan frekuensi tertentu ke semua arah. Kenyaringan sirine mobil ambulan berubah ketika ambulan mendekat atau menjauhi pengamat. Kecepatan gelombang hanya bergantung pada medium di mana ia merambat, dan tidak tergantung dari kecepatan sumber ataupun pengamat. Perubahan frekuensi bunyi sedikit berbeda bergantung apakah sumber atau penerima yang sedang bergerak relatif terhadap medium. Apabila sumber bunyi yang bergerak, panjang gelombang akan berubah, dan frekuensi baru f’ akan ditemukan dengan pertama kali mencari panjang gelombang baru ë dan kemudian menghitung f’= v/ë. Bila sumber bergerak mendekati pengamat yang diam dengan frekuensi f dan kecepatan vs, sedang kecepatan bunyi di udara v, maka frekuensi yang terdengar oleh pengamat adalah: f'=
f v 1− s v
(3.4)
Karena penyebut lebih kecil dari 1, maka f’ > f .
Bunyi 53
Contoh: jika sumber memancarkan bunyi dengan frekuensi 400 Hz saat dalam keadaan diam, maka ketika sumber mendekati pengamat yang diam dengan laju 30 m/s, pengamat mendengar frekuensi sebesar:
f'=
400 H z = 438 H z 30m /s 1− 343m /s
Apa bila sumber bunyi menjauh dari pengamat yang diam, maka frekuensi yang terdengar oleh pengamat adalah
f v (3.5) 1+ s v Dalam hal ini, jika sumber yang bergetar pada 400 Hz menjauh dari pengamat yang diam dengan laju 30 m/s, pengamat tersebut akan mendengar frekuensi sekitar 368 Hz. f'=
Apabila pengamat bergerak mendekati sumber yang diam, laju gelombang relative terhadap pengamat adalah v’ = v + v0, di mana v adalah kecepatan bunyi di udara, dan v0 adalah kecepatan pengamat. Dengan demikian , frekuensi baru yang terdengar oleh pengamat adalah: ⎛ v ⎞ f'= ⎜1+ 0 ⎟ f v⎠ ⎝
(3.6)
Apa bila pengamat bergerak menjauhi sumber, maka frekuensi yag terdengar oleh pengamat adalah : ⎛ v ⎞ f'= ⎜1− 0 ⎟ f v⎠ ⎝
(3.7)
Dalam bidang kedokteran, efek Doppler digunakan untuk mengukur bergeraknya zat cair di dalam tubuh misalnya darah. Berkas ultrasonik yang mengenai darah yang bergerak menjauhi bunyi, darah akan memantulkan bunyi echo dan diterima oleh detektor. Apabila diketahui frekuensi mula-mula (f0), sudut è dari arah sumber bunyi, kecepatan darah (vd), kecepatan suara (vs) dan perubahan frekuensi f’, maka:
54
Fisika Kesehatan
f'=
2 fvd cosθ vs
(3.8)
G. Aplikasi Ultrasonik dalam Bidang Klinik Gelombang ultrasonik adalah gelombang bunyi dengan frekuensi di atas 20.000Hz yang dihasilkan oleh getaran magnet listrik dan kristal piezo elektrik. Batang feromagnetik yang diletakkan pada medan magnet listrik atau juga dengan melingkari dengan kumparan yang dialiri arus listrik dapat menimbulkan gelombang bunyi ultra pada ujung batangnya. Demikian juga apabila kristal piezo elektrik dialiri tegangan listrik maka lempengan kristal akan bervibrasi sehingga timbul frekuensi ultra. Berdasarkan sifat tersebut, kristal piezo elektrik digunakan sebagai transduser pada ultrasonografi. Ultrasonik digunakan oleh kapal-kapal laut untuk mendeteksi kapalkapal selam dan benda-benda di bawah laut lainnya dengan suatu piranti yang disebut sonar (sound navigation and ranging – navigasi dan penjajakan bunyi). Berdasarkan efek-efek yang ditimbulkan (mekanik: membentuk emulsi asap/awan dan disintegrasi beberapa benda padat sehingga dapat digunakan untuk menentukan lokasi batu empedu, panas: pada titik yang terkena mengalami perubahan panas, kimia: menyebabkan proses oksidasi dan hidrolisis pada ikatan polyester, dan biologis: karena panas menimbulkan pelebaran pembuluh darah, peningkatan permeabilitas membrane sel dan kapiler serta merangsang aktivitas sel), gelombang ultrasonik digunakan dalam bidang kedokteran untuk tujuan diagnostik dan pengobatan. 1. Aplikasi Ultrasonik Sebagai Diagnosis Penggunaan ultrasonik sebagai diagnostik dalam praktik kedokteran merupakan aplikasi yang sangat menarik dari konsepkonsep fisika. Pada bagian ini digunakan teknik pulsa-gema yang hampir sama dengan sonar. Pulsa bunyi frekuensi tinggi diarahkan ke tubuh, dan pantulannya dari batas atau pertemuan antara organorgan dan struktur lainnya maupun luka dalam tubuh akan terdeteksi. Teknik ini disebut juga dengan USG (Ultrasonography). Dengan menggunakan teknik ini, tumor dan pertumbuhan abnormal lainnya
Bunyi 55
serta gumpalan fluida (udema) dapat dilihat. Kerja katup jantung dan perkembangan janin dapat diperiksa, serta informasi tentang berbagai organ tubuh (otak, jantung, hati, dan ginjal) dapat diperoleh. Walaupun ultrasonik tidak bisa menggantikan sinar X, untuk diagnosis jenis tertentu, teknik ini lebih membantu. Beberapa jenis jaringan atau fluida tidak terdeteksi di foto sinar X, tetapi bunyi ultra terpantul dari perbatasan jaringan ini. Hasil citra bunyi ultra, anggota tubuh bagian dalam juga bisa dilihat secara real time (pada saat itu juga) pada layar monitor. Pada tingkat intensitas rendah yang digunakan untuk diagnosis (< 3.10 4 W/m2), tidak ada laporan mengenai efek yang melawan, sehingga ultrasonik dianggap sebagai metode yang tidak berbahaya untuk memeriksa tubuh. Frekuensi gelombang ultrasonik yang digunakan dalam diagnosa berkisar 1 samapi 10 MHz (1 MHz = 106 Hz). Laju gelombang bunyi pada jaringan tubuh manusia berkisar sekitar 1540 m/s (hampir sama dengan air), sehingga panjang gelombang 1 MHz adalah sekitar:
λ=
v 1540 m /s = = 1,5× 10−3 m = 1,5m m , f 106 s−1
dan ini merupakan batas benda yang paling terkecil yang dapat terdeteksi. Frekuensi yang lebih tinggi berarti panjang gelombangnya lebih pendek. Hal ini merupakan prinsip yang dipakai untuk visualisasi yang lebih rinci. Semakin tinggi frekuensi, makin banyak gelombang yang diserap oleh tubuh, dan pantulan yang lebih dalam dari bagian yang lebih dalam dari tubuh akan hilang. Teknik pulsa-gema untuk pencitraan medis bekerja sebagai berikut: Sebuah pulsa singkat dari bunyi ultra dipancrkan oleh sebuah transduser yang akan merubah pulsa listrik menjadi pulsa gelombang bunyi. Bagian dari pulsa dipantulkan pada berbagai pertemuan permukaan dalam tubuh, dan sebagaian besar (biasanya) akan diteruskan. Pulsa yang dipantulkan terdeteksi oleh transduser yang sama. Transduser tersebut akan merubah pulsa bunyi menjadi pulsa listrik yang kemudian ditampilkan pada layer terminal atau monitor. Sebagai contoh perhatikan pulsa bunyi yang melewati perut (Gambar 3.3.a). 56
Fisika Kesehatan
t=
d 0,50m = = 3,2 × 10− 4 s = 320µs. v 1540m /s Gambar 3.3 a. Pulsa bunyi ultra melewati perut, dipantulkan dari permukaan lintasannya
Pada berbagai batas permukaan dalam tubuh, sebagian dari pulsa dipantulkan. Waktu yang dibutuhkan dari saat pulsa dipancarkan sampai ketika pantulannya (gema) diterima sebanding dengan jarak ke permukaan yang memantulkan. Sebagai contoh, jika jarak dari transduser ke tulang belakang adalah 25 cm, pulsa menempuh jarak bolak-balik 2 × 25 cm = 0,50m, dan waktu yang diperlukan adalah:
Pulsa yang dipantulkan dari benda yang hanya 10 cm dari transduser akan diterima setelah 130 µs. Gambar 3.3.b menggambarkan pulsa
Bunyi 57
pantulan ini sebagai fungsi waktu pada waktu diterima oleh transduser untuk situasi yang digambarkan di bagian (a). (A-scan) ketika diterima oleh transduser, waktu sebanding dengan jarak rambatan. Garis terputus-putus vertikal memperlihatkan pulsa pantulan yang berhubungan dengan pantulan yang sama. Kekuatan pulsa pantulan terutama tergantung pada selisih kerapatan kedua materi di kedua sisi pertemuan. Kekuatan ini juga bergantung pada kecepatan bunyi di setiap materi, tetapi biasanya mempunyai efek yang kecil karena dalam banyak jaringan kecepatannya berkisar beberapa persen dari rata-rata 1540 m/s. ( Pengecualian pada tulang: 4000m/s dan udara : 340 m/s). Pada pertemuan yang melibatkan tulang dan paruparu, sebagian besar pulsa bunyi dipantulkan, sehingga bunyi ultra tidak dapat digunakan untuk memeriksa melewati pertemuan semacam itu. Tanda seperti pada gambar 3.3.b dapat ditampilkan langsung dimonitor seperti pada gambar 3.4 (tampilan A-scan mata).
Gambar 3.4 Tampilan A-scan mata
Yang lebih umum digunakan pada saat ini adalah B-scan (Bright Scanning), yang dapat dugunakan membentuk citra dua dimensi dari penampang lintang tubuh. Pada scan mode B, setiap gema direpresentasikan sebagai satu titik, yang posisinya dinyatakan dengan waktu tunda dan kecerahannya bergantung pada kekuatan gema. Gambar 3.3.c menunjukkan titik-titik ini untuk gema yang dihasilkan dari serangkaian B-scan. Transduser digerakkan, dan pada setiap posisi transduser mengirimkan pulsa dan menerima gema, seperti ditunjukkan pada gambar 3.5. Hanya 10 baris ditunjukkan pada gambar 3.5, sehingga citra tampak kasar. Lebih banyak garis memberikan citra yang lebih rinci. Foto citra bunyi ultra ditunjukkan pada gambar 3.6.
58
Fisika Kesehatan
Gambar 3.5 Transduser digerakkan dan pada setiap posisi transduser mengirimkan pulsa dan menerima gema
Scan yang lebih cepat bisa didapat dengan menggunakan serangkaian transduser, atau dengan merotasikan satu transduser sekitar satu titik sehingga transduser melihat ke serangkaian arah yang berbeda sepanjang tubuh. M-skan atau modulation scanning merupakan dua metode yang digunakan dalam kaitan untuk memperoleh informasi gerakan alat-alat dengan menggunakan ultrasonik. Misalnya dalam hal mempelajari gerakan jantung dan gerakan vulva, atau teknik Doppler yang digunakan untuk mengukur aliran darah. Pada M-scan, amplitude (A) akan dalam keadaan stasioner sedangkan echo gema yang terjadi berupa dot /titik dari B-scan.
Gambar 3.6
Bunyi 59
Pada ultrasonography, suatu gambaran yang dikonstruksi dari gelombang-gelombang ultrasonik, diambil dari seorang wanita hamil untuk mengukur ukuran janin, memperkirakan jenis kelamin dan untuk mendeteksi ketidaknormalan. Ultrasionik dapat digunakan dalam metode ini karena selain tidak dapat didengar, untuk panjang gelombang yang lebih pendek, difraksi lebih kecil sehingga berkas gelombang lebih tidak menyebar dan benda yang lebih kecil dapat dideteksi.
Gambar 3.7 USG janin & Skema dasar Ultrasonik untuk memonitor gerakan jantung janin
2. Aplikasi Ultrasonik untuk Pengobatan Berdasarkan efek-efek yang ditimbulkan (panas, kimia dan biologis), maka ultrasonik dapat digunakan dalam pengobatan. Ultrasonik memberi efek kenaikan temperatur dan peningkatan tekanan sehingga dapat digunkan utuk terapi fisik, untuk memberikan pemanasan lokal pada otot yang cidera. Efek ini timbul karena jaringan 60
Fisika Kesehatan
mengabsorbsi energi bunyi sehingga ultrasonik dapat digunakan sebagai diatermi. Intesitas ultrasonik yang dipakai utuk diatermi sebesar 1 – 10 W/cm2 dengan frekuensi sebesar 1 MHz. Ultrasonik juga digunakan dalam pengobatan Parkinson, namun untuk memfokuskan gelombang bunyi ke arah otak masih sangat sulit. Sedangkan pada penyakit maniere (maniere disease) di mana keadaan penderita kehilangan pendengaran dan kesetimbangan, apabila diobati dengan ultrasonik dikatakan 95% berhasil baik, ultrasonik menghancur-kan jaringan dekat telinga tengah. Selain itu, ultrasonik juga digunakan untuk menghancurkan jaringan ganas (kanker). Sel-sel ganas akan hancur pada beberapa bagian, sedangkan pada daerah lain kadang-kadang menunjukkan rangsangan pertumbuhan, sehingga penggunaan untuk masalah ini masih diteliti lebih lanjut.
- oOo -
Bunyi 61
62
Fisika Kesehatan
BAB IV
FLUIDA
A. Pendahuluan
K ρ =
m V
eadaan bahan keseluruhan secara mudah dapat dibagi menjadi zat padat dan f luida. Zat padat cenderung tegar dan mempertahankan bentuknya, sementara f luida tidak mempertahankan bentuknya tetapi mengalir. Fluida meliputi cairan, yang mengalir di bawah pengaruh gravitasi sampai menempati daerah terendah yang mungkin dari penampungnya, dan gas, yang mengembang mengisi penampungnya tanpa peduli bentuknya.
B. Massa Jenis (Kerapatan) Salah satu sifat penting dari suatu zat adalah massa jenis (ñ) atau kerapatan. Huruf Yunanai ( ñ) kuno biasanya digunakan untuk menyatakan massa jenis. Massa jenis didefisnisikan sebagai perbandingan antara massa suatu benda terhadap volumenya: ,
(4.1)
Dimana ñ : massa jenis (kg/m3), m : massa benda (Kg) V : volume benda (m3) Satuan massa jenis dalam cgs adalah g/cm3. Bila kerapatan atau massa jenis suatu benda lebih besar dari kerapatan air, maka benda akan tenggelam dalam air. Bila kerapatan benda lebih kecil maka benda akan mengapung. Kerapatan air dipengaruhi oleh temperatur. Semakin tinggi 63
temperatur air maka massa jenis air semakin kecil karena jarak antar partikelnya semakin besar sehingga untuk menampung sejumlah atom diperlukan volume yang besar , demikian juga sebaliknya, semakin rendah suhu air maka kerapatannya semakin besar karena jarak antar atomnya semakin kecil sehingga sejumlah atom cukup menempati volume yang kecil. Persamaan (4.1) menyatakan nilai maksimum dari perubahan massa jenis air dengan berubahnya temperature yang terjadi pada temperature 4oC. Satuan yang biasa digunakan untuk volume air adalah liter (L). 1 liter = 103 cm3 = 10-3 m3 Dalam satuan ini, massa jenis air adalah 1,00 kg/L. Rasio kerapatan sebuah zat terhadap kerapatan air dinamakan berat jenis zat tersebut. Berat jenis adalah bilangan tak berdimensi yang sama dengan besarnya kerapatan ini jika dinyatakan dalam gram per centimeter kubik.
C. Tekanan pada Fluida Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, di mana gaya F dipahami bekerja tegak lurus terhadap luas permukaan benda A, Tekanan = P =
F A
(4.2)
Satuan SI untuk tekanan adalah N/m2 atau disebut Pascal (Pa). Satuan dalam cgs yang juga kadang digunakan adalah dyne/cm2, lb/in2 (kadang disingkat “psi”). Prinsip Paskal menyatakan bahwa: Tekanan yang diberikan pada fluida dalam suatu tempat akan menambah tekanan keseluruhan dengan besar yang sama. Gaya yang disebabkan oleh tekanan fluida yang berada dalam keadaan diam selalu bekerja tegak lurus terhadap permukaan yang bersentuhan dengannya. Maka sebagaimana dinyatakan oleh Hk Newton ketiga (aksi = - reaksi), permukaan akan memberikan gaya kembali pada fluida yang juga akan memiliki komponen sejajar dengan permukaan yang kemudian menyebabkan fluida mengalir.
64
Fisika Kesehatan
1. Alat Ukur Tekanan Darah Beberapa alat yang digunakan untuk mengukur tekanan adalah manometer tabung terbuka, barometer aneroid (digunakan untuk mengukur tekanan udara), pengukur tekanan ban.
(b) Pengukur aneroid (terutama digunakan untuk tekanan udara dan kemudian disebut barometer aneroid)
(a) Manometer tabung terbuka
(c) Pengukur tekanan ban
Gambar 4.1 Alat ukur tekanan
Yang paling sederhana adalah manometer tabung terbuka, yaitu tabung berbentuk U yang sebagian diisi air atau air raksa. Tekanan P yang terukur dihubungkan dengan perbedaan tinggi h dari dua ketinggian zat cair. Besarnya tekanan dinyatakan dengan persamaan: P = P0 + ρ gh
P = P0 =
ρ = g = h =
(4.3)
tekanan fluida (N/m3) tekanan atmosfir (yang bekerja di atas fluida di tabung sebelah kiri) (N/m3) massa jenis zat cair (kg/m3) percepatan gravitasi (m/s2) perbedaan tinggi zat cair antara tabung kiri dengan tabung kanan (m)
Perhatikan bahwa nilai ρ gh adalah tekanan terukur, suatu angka sehingga harga P lebih besar daripada tekanan atmosfir. Biasanya bukan
Fluida 65
hasil kali ρ gh yang dihitung, melainkan hanya ketinggian h yang ditentukan. Pada kenyataannya, tekanan kadang dinyatakan dalam orde millimeter air raksa (mm-Hg), dan kadang-kadang nilainya sekecil mm air (mm-H2O). Satuan mm-Hg ekivalen dengan tekanan 133 N/m2, karena 1,00 mm = 1,00 X 10-3 m dan massa jenis air raksa adalah 13,6 X 103 kg/ m 3. Untuk mendiagnosis suatu penyakit dalam praktik klinik, seringkali perlu diukur tekanan darah pasien.
Gambar 4.2 Sphygmomanometer
Riva-Rocci telah membuat alat ukur tekanan darah manusia yang disebut dengan Sphygmomanometer atau tensimeter. Sphygmomanometer yang sering digunakan ada dua macam, yaitu sphygmomanometer logam dan sphygmomanometer air raksa. Tekanan darah yang biasa diukur meliputi: 1. Sistolik, yaitu tekanan darah maksimum yang terdapat pada aorta ketika jantung berada pada phase sistolis atau berkontraksi di mana darah dipompakan dari ventrikel kiri ke aorta. Ini terjadi kira-kira 72 kali per menit dalam keadaan tenang dan jantung sehat. 2. Diastolik, yaitu tekanan darah minimum yang diperoleh pada aorta ketika jantung berada pada phase diastolis (mengembang) di mana darah dari vena masuk ke atrium.
Tekanan nadi yaitu selisih tekanan sistolik dengan tekanan diastolik, misal tekanan sistolik normal = 120 mm-Hg, sedangkan tekanan diastolik normal = 80 mm-Hg. Maka tekanan nadi normal adalah 40 mm-Hg.
66
Fisika Kesehatan
D. Dinamika Fluida Dinamika fluida mempelajari mengenai fluida yang bergerak atau mengalir. Jika fluida tersebut adalah air maka lebih dikenal dengan istilah hidrodinamika. Tidak semua fluida yang berpindah dinamakan fluida mengalir. Jika kita memindahkan air dari ember ke bak mandi maka air tersebut tidak bisa dikatakan mengalir. Fluida dikatakan mengalir jika fluida tersebut bergerak terus terhadap sekitarnya. 1. Aliran Laminar dan Aliran Turbulan Lintasan yang ditempuh oleh suatu partikel dalam fluida mengalir dinamakan garis alir (flow line). Ada dua jenis aliran fluida, yaitu aliran laminar atau garis arus (streamline) dan aliran turbulen. Pada aliran laminar, setiap partikel f luida mengikuti lintasan yang mulus, dan lintasan ini tidak saling bersilangan. Di atas suatu kelajuan tertentu, aliran fluida menjadi turbulen yang ditandai dengan lingkaran-lingkaran tak menentu, kecil dan menyerupai pusaran yang disebut arus eddy . Arus eddy banyak menyerap energi walaupun mengalami gesekan interGambar 4.3a Aliran laminar nal yang disebut viskositas. Bahkan b. Aliran turbulen daripada aliran laminar, energi tersebut jauh lebih besar ketika aliran berupa turbulan. Untuk mengetahui apakah suatu aliran fluida merupakan laminar atau turbulan dapat dilakukan dengan menjatuhkan sedikit tinta atau pewarna ke dalam fluida tersebut. Jika tinta menempuh lintasan yang lurus atau melengkung tetapi tidak berputar-putar membentuk pusaran, maka aliran fluida tersebut berupa laminar. Akan tetapi bila tinta tersebut kemudian mengalir secara berputar-putar dan akhirnya menyebar, aliran fluida termasuk turbulan.
Fluida 67
Gambar 4.4 Arus turbulen
∆m t
laju ali
2. Persamaan Kontinuitas Mari kita perhatikan aliran laminar suatu fluida yang melalui tabung tertutup atau pipa seperti ditunjukkan pada gambar 4.5.
Gambar 4.5 Aliran fluida melalui pipa yang diameternya berubah-ubah
Pertama kita tentukan bagaimana laju f luida berubah ketika ukuran tabung berubah. Laju aliran massa didefinisikan sebagai massa dari fluida yang melewati titik tertentu persatuan waktu ,
(4.4)
68
Fisika Kesehatan
Pada gambar 4.4 volume fluida yang melewati titik 1 (melalui luas A1) dalam waktu ∆ t adalah A1 yang dilalui fluida dalam waktu melewati titik 1 adalah A1 adalah:
, dimana
adalah jarak
. Karena kecepatan fluida yang ∆m 1 , laju alir massa melalui luas ∆t
∆ m 1 ρ 1∆ v1 ρ 1 A1∆ l1 = ρ 1 A1v1 = = ∆t ∆t ∆t
(4.5)
∆ v1 = A1 ∆ l1 adalah volume dengan massa
, dan adalah massa jenis fluida. Dengan cara yang sama, pada titik 2 (melalaui luas A2), laju alir adalah . Karena tidak ada aliran fluida yang masuk atau keluar dari sisi-sisi, laju alir melalui A1 dan A2 harus sama. Dengan demikian, karena
, maka
ρ 1 A1v1 = ρ 2 A 2 v2
(4.6)
Persamaan (4.6) disebut persamaan kontinuitas. Jika fluida ρA mkons t ρ ∆ m lv=A ρ ∆=vtlan ∆Amv v11121=11112=221 2 22 tersebut tidak bisa ditekan ( tidak berubah terhadap tekanan), yang ∆t ∆ t∆t merupakan pendekatan yang baik untuk zat cair dalam sebagian besar kondisi (kadang termasuk juga pada gas) maka , sehingga persamaan kontinuitas menjadi , (untuk
)
(4.7)
Hasil kali Av menyatakan laju aliran volume (volume fluida yang melewati suatu titik per sekon), karena
∆v ∆l =A = Av (m3/s). Dari ∆t ∆t
persamaan (4.7) dapat diketahui bahwa luas penampang berbanding terbalik dengan kecepatan aliran. Semakin besar luas penampang, maka kecepatan aliran semakin kecil, demikian juga sebaliknya. 3. Aliran Darah di Dalam Tubuh Persamaan (4.7) dapat dipakai untuk aliran darah dalam tubuh. Mekanisme aliran darah di dalam tubuh manusia adalah sebagai berikut:
Fluida 69
Darah mengalir dari jantung ke aorta, dan kemudian masuk ke arteriarteri utama. Dari arteri utama ini bercabang lagi ke arteri kecil (arteriol), kemudian bercabang lagi menjadi sejumlah pembuluh kapiler yang amat kecil. Darah kemudian kembali lagi ke jantung melalui vena.
Gambar 4.6 Sistem sirkulasi manusia
Contoh soal aliran darah 1. Darah mengalir dari pembuluh darah yang besar dengan jari-jari 0,3 cm, di mana kelajuannya 10 cm/s, ke dalam daerah di mana jari-jari berkurang menjadi 0,2 cm karena penebalan dinding (arteriosclerosis). Berapakah kelajuan darah di bagian yang lebih kecil? Penyelesaian: Jika v1 dan v2 adalah kelajuan awal dan ahir, A1 dan A2 adalah luas awal dan ahir, maka dengan menggunakan persamaan (4.7) :
2. Radius aorta kurang lebih 1,0 cm dan darah yang melewatinya memiliki laju sekitar 30 cm/s. Pembuluh kapiler biasanya memiliki radius sekitar 4 x 10-4 cm, dan darah mengalir melaluinya dengan laju sekitar 5 x 10-4 m/s. Perkirakanlah berapa banyak pembuluh kapiler yang ada di dalam tubuh! Penyelesaian: Tentukan A1 = Luas aorta, dan A 2 = luas semua pembuluh kapiler di mana darah mengalir. A2 = Nπ 2kap di mana N 70
Fisika Kesehatan
A1v1 A = v2 = A
adalah jumlah pembuluh kapiler dan rkap = 4 x 10-4 cm adalah perkiraan radius rata-rata pembuluh kapiler. Dari persamaan (4.7) dapat ditentukan: A1v1 = A 2 v2
2
v r2aorta ⎛ 0,30m /s ⎞⎛ 1,0× 10−2 m ⎞ ⎟⎟⎜⎜ ⎟⎟ = 4× 109 pem buluhkapiler = ⎜⎜ N = 1 2 −4 −6 v2 r kap ⎝ 5× 10 m /s⎠⎝ 4× 10 m ⎠
E. Viskositas Kekentalan atau viskousitas adalah tingkat kekentalan fluida yang menyatakan besar kecilnya gaya gesek pada fluida. Dengan semakin kentalnya fluida atau zat cair yang melewati pembuluh, semakin besar gesekan terhadap dinding pembuluh dan sebagai konsekuensinya diperoleh tahanan semakin besar yang tentunya akan berpengaruh terhadap debit pada fluida.
v2Nπr
2 kap
Debit adalah volume zat cair yang mengalir melalui penampang tiap Secara matematis dapat dinyatakan: = vπr 2 detiknya. aorta 1
V =
volum e v ⎛ m l ⎞ = ⎜ ⎟ waktu t⎝ s ⎠
(4.8)
Hk Poiseuille menyatakan bahwa cairan yang mengalir melalui suatu pipa akan berbanding langsung dengan penurunan tekanan sepanjang pipa dan pangkat empat jari-jari pipa. Maka dari persamaan (1) dapat dinyatakan bahwa V =
π r4 (P1 − P2 ) 8η L
(4.9)
V =
π r4 ( ρ gh1 − ρ gh2 ) 8η L
(4.10)
Keterangan: V : debit (ml/s) t : waktu (sekon) π : 3,14
Fluida 71
r : jari-jari pembuluh (cm) g : (percepatan gravitasi bumi) :980 cm/s2 L : panjang pipa pembuluh (cm) : viskousitas atau kekentalan (N s/m2 = Pa.s dalam SI, atau dyne.s/cm2 = poise dalam cgs) Dengan semakin kentalnya zat cair yang melewati pembuluh, semakin besar gesekan terhadap dinding pembuluh dan sebagai konsekuensinya, diperoleh tahanan semakin besar. Kekentalan ini penting untuk mengetahui konsntrasi sel darah merah. Pada darah normal, kekentalan sebesar 3,5 kali air. Apabila konsentrasi darah 1,5 dari darah normal, kekentalan menjadi dua kali air dan apabila konsentrsi darah meningkat 70 kali di atas normal maka kekentalan darah menjadi 20 kali air. Dengan alasan demikian, aliran darah pada penderita anemia adalah cepat oleh karena konsentrasi sel darah merah sangat rendah. Sebaliknya pada penderita polycythemia (kadar sel darah merah meningkat) aliran darah sangat lambat.
F. Pompa Jantung dan Tekanan Darah Jantung manusia dan juga hewan pada dasarnya merupakan pompa sirkulasi. Cara kerja jantung manusia diperlihatkan pada gambar 4.7.
Gambar 3.8 Cara kerja jantung manusia
72
Fisika Kesehatan
(a) Pada fase diastol, Jantung rileks diantara denyutan. Darah masuk ke jantung; kedua serambi dipenuhi dengan cepat. (b) Ketika serambi melakukan kontraksi, fase sistol, atau pemompaan dimulai. Kontraksi mendorong darahmelalui katup mitral dan tricuspid ke dalam bilik. (c) Kontraksi bilik memaksa darah melalui katup semilunar masuk ke dalam arteri pulmonary (yang menuju paru-paru), dan ke aorta (arteri tubuh yang terbesar) yang menuju arteri di semua bagian tubuh. (d) Ketika jantung rileks, katup semilunar tertutup; darah memenuhi serambi, siklus dimulai kembali.
η
Ada dua lintasan terpisah untuk alian darah. Lintasan yang lebih panjang membawa darah ke bagian-bagian tubuh, melalaui arteri dengan membawa oksigen (O2) ke jaringan tubuh dan mengambil karbondioksida (CO2) yang dibawanya kembali ke jantung melalui pembuluh darah balik (vena). Darah ini kemudian dipompa ke dalam paru-paru (lintasan kedua) dimana karbondioksida dilepaskan dan oksigen diambil. Darah yang dimuati oksigen kembli ke jantung, dimana darah tersebut kembali dipompa ke jaringan-jaringan tubuh. Tekanan darah diukur dengan menggunakan manometer yang berisi air raksa dan biasanya dikalibrasi dalam mm-Hg. Alat ukur dipasang ke jaket berisi udara yang tertutup yang diikatkan pada lengan atas di ketinggian jantung.
Gambar 4.8 Peralatan untuk mengukur tekanan darah
Dua nilai tekanan darah yang diukur, yaitu: tekanan maksimum ketika jantung memompa (tekanan sistolik) dan tekanan ketika jantung beristirahat (tekanan diastolik). Pada awalnya tekanan udara pada jaket dinaikkan tinggi di atas tekanan sistolik dengan pompa tangan, dan tekanan ini memompa arteri utama (brachial) di lengan dan memotong aliran darah. Tekanan udara kemudian diperkecil perlahan-lahan sampai titik di mana darah kembali mulai mengalir ke tangan, hal ini dideteksi
Fluida 73
dengan mendengarkan karakteristik ketukan darah yang kembali ke lengan bawah dengan stetoskop. Pada saat ini tekanan sistolik sama dengan tekanan udara pada jaket yang bisa dibaca pada alat ukur. Tekanan udara kemudian diperkecil lebih lanjut dan suara ketukan menghilang ketika darah dengan tekanan rendah dapat memasuki arteri. Pada saat ini alat ukur menunjukkan tekanan diastolik. Tekanan sistolik normal sekitar 120 mm-Hg, sementara tekanan diastolik normal sekitar 80 mm-Hg.
G. Pernafasan 1. Mekanisme Pernafasan Mekanisme masuknya udara dari luar ke dalam paru-paru disebut inspirasi, sedang keluarnya udara dari dalam paru-paru disebut ekspirasi. Keluar masuknya udara pernafasan ini melibatkan rongga dada dan perut, sehingga keluar masuknya udara dapat dibedakan menjadi pernafasan dada dan pernafasan perut. a. Pernafasan Dada Inspirasi pernafasan dada terjadi pada saat otot antar rusuk berkontraksi, tulang-tulang rusuk akan naik dan rongga dada membesar. Akibatnya tekanan udara di dalam rongga dada lebih kecil dari pada tekanan udara di luar, sehingga udara dari luar masuk ke paru-paru. Ekspirasi pernafasan dada terjadi pada saat otot antara tulang rusuk berelaksasai atau mengendor, tulang rusuk akan turun dan rongga dada mengecil. Akibatnya tekanan udara di dalam rongga dada lebih besar dari pada tekanan udara di luar. Akibatnya udara dalam rongga dada akan terdorong ke luar dari paru-paru menuju hidung atau mulut. b. Pernafasan Perut Inspirasi pernafasan perut terjadi pada saat otot rongga diafragma berkontraksi, posisi diafragma menjadi mendatar. Akibatnya rongga dada membesar dan tekanan udara lebih kecil, sehingga udara luar masuk ke paru-paru. Ekspirasi pernafasan perut terjadi pada saat otot rongga diafragma berelaksasi, rongga dada mengecil dan tekanan udara menjadi lebih besar, sehingga udara ke luar dari paru-paru. 74
Fisika Kesehatan
Pernafasan adalah suatu proses yang terjadi secara otomatis walau dalam keadaaan tertidur sekalipun karena sistem pernafasan dipengaruhi oleh susunan saraf otonom. Masuk keluarnya udara dalam paru-paru dipengaruhi oleh perbedaan tekanan udara dalam rongga dada dengan tekanan udara di luar tubuh. Jika tekanan udara di luar rongga dada lebih besar, maka udara akan masuk ke paru-paru, demikian jua sebaliknya jika tekanan di dalam rongga dada lebih besar maka udara akan keluar dari paru-paru. 2. Aplikasi Konsep Fisika dalam Pernafasan a. Hukum Dalton Hukum ini menyatakan bahwa: Tekanan parsial suatu komponen dalam campuran gas adalah tekanan dari komponen itu seandainya sendirian mengisi seluruh volume gas yang tersedia. Maka dari itu, jumlah tekanan suatu campuran gas yang tidak reaktif dan bersifat ideal, adalah sama dengan jumlah tekanan parsial semua komponen gas. Misalnya dalam suatu ruangan terdapat udara dengan tekanan 1 atmosfir (760 mm-Hg). Jika dipindahkan seluruh % O2 P O2 (mm-Hg) % CO2 P CO2 (mm-Hg) molekul kecuali O2, maka O2 dalam udara tersebut 20%, berarti O2 0,3 Udara Inspirasi 20,9 tekanan150 memiliki 20% x 760 0,04 mm Hg = 152 40 mm-Hg. Demikian pula Alveoli Paru-paru N =14,0 100 5,6 610 mm Hg (80% dari 760 mm-Hg). 32 2 Udara ekspirasi 16,3 116 4,5 Tekanan parsial uap air dipengaruhi oleh kelembaman. Suatu contoh udara ruangan mempunyai tekanan parsial 15-20 mm-Hg. Sedangkan di dalam paru-paru mempunayi tekanan 47 mm-Hg pada temperature 37oC dengan 100% kelembaman. Dengan mempergunakan tekanan parsial dari hukum Dalton dapat dibuat daftar sebagai berikut: Tabel 4.1 Tekanan Parsial uap air pada pernafasan
Fluida 75
Pada waktu ekspirasi terahir di dalam paru-paru selalu terdapat 30% volume udara yang disebut Fungsional Residual Capasity. b. Hukum Boyle Hukum ini menyatakan bahwa : Untuk suatu massa gas pada temperature konstan maka tekanan berbanding terbalik terhadap volumenya. Sehingga dapat dinyatakan dengan persamaan: pV = tetap
(4.11)
(T konstan, dan jumlah massa gas m tetap) Apabila terjadi peningkatan volume maka akan diikuti dengan penurunan tekanan, demikian juga sebaliknya. Untuk mengetahui hubungan tekanan (P) terhadap volume (V) dapat dilihat pada grafik 4.1.
Grafik 4.1 Hubungan Tekanan (P) terhadap volume (V)
Pada saat inspirasi volume paru-paru meningkat, sedangkan tekanan intrapleura mengalami penurunan. Pada waktu inspirasi jumlah volume udara dalam paru-paru meningkat sedang pada waktu ekspirasi jumlah volume udara paruparu menurun.
76
Fisika Kesehatan
Grafik 4.2 Volume paru-paru VS waktu pada saat inspirasi dan ekspirasi
c. Hukum Laplace Hukum ini menyatakan bahwa tekanan pada gelembung alveoli berbanding terbalik terhadap radius dan berbanding lurus terhadap tegangan permukaan . (4.12)
γ
4γ Ρ = R
P R γ
= tekanan (mm-Hg) = jari-jari (cm) = tegangan permukaan (dyne/cm)
H. Spirometer Spirometer adalah alat untuk mengukur aliran udara yang masuk dan keluar paru-paru dan dicatat dalam grafik volume per waktu. Subjek yang diuji (dalam hal ini penderita/probandus)menarik nafas dari lingkungan dan menghembuskan nafas ke dalam spirometer dengan keadaan hidung ditutup sehingga tidak ada udara yang dikeluarkan melalui hidung. Dengan alat spirometer maka dapat ditampilkan volume udara dalam paru-paru pada setiap saat sebagaimana digambarkan berikut ini:
77
Gambar 4.10 Proses inspirasi dan ekspirasi oleh paru-paru
Pada waktu istirahat menunjukkan volume udara paru-paru 500 ml. Keadaan ini disebut tidal volume. Pada permulaan dan akhir pernafasan terdapat keadaan reserve; akhir dari suatu inspirasi dengan suatu usaha agar mengisi paru-paru dengan udara. Udara tambahan ini disebut inspiratory reserve volume, jumlahnya sebanyak 3000ml. Demikian pula akhir dari ekspirasi, usaha dengan tenaga untuk mengeluarkan udara dari paru-paru. Udara ini disebut expiratory reserve volume yang jumlahnya kira-kira 1.100 ml. Udara yang tertinggal setelah ekspirasi secara normal disebut fungtional residual capacity (FRC). Seorang yang bernafas dalam keadaan baik inspirasi maupun ekspirasi, keadaan yang ekstrim ini disebut Vital Capacity. Dalam keadaan normal, vital capacity sebanyak 4.500 ml. Dalam keadaan apapun paru-paru tetap mengandung udara, maka udara ini disebut residual volume atau udara sisa (kira-kira 1.000ml untuk orang dewasa). Untuk membuktikan adanya residual paru-paru, penderita (subjek) disuruh bernafas dengan mencampuri udara dengan helium, kemudian dilakukan pengukuran fraksi helium pada waktu ekspirasi. Di klinik biasanya mempergunakan spirometer. Penderita disuruh bernafas dalam satu menit yang disebut respiratory minute volume. Maksimum udara yang dapat dihirup selama 15 menit disebut Maximum Voluntary Ventilation. Maksimum ekspirasi setelah maksimum inspirasi sangat berguna untuk mengetest penderita emphysema dan penyakit obstruksi jalan pernafasan. Penderita normal dapat mengeluarkan udara kira-kira 70% 78
Fisika Kesehatan
dari vital capacity dalam 0,5 detik; 85% dalam satu detik; 94% dalam 2 detik; 97% dalam 3 detik. Normal peak flow rate 350-500 liter/menit. Aliran diplot terhadap volume untuk mengetahui tingkat kontinuitas loop dari inspiratori ke ekspiratori. Bentuk loop penting untuk memberikan interpretasi watak spirometriknya. Kurva volume terhadap waktu merupakan alternatif lain untuk menampilkan hasil spirometrik. Untuk penderita asma terjadi penyempitan batang tenggorokan sehingga ujung kurva ekspiratori cenderung lebih kekiri dari awal inspiratori. Namun untuk penderita batuk sebaliknya.
(a)
(b)
Gambar 4.11. (a) Plot laju aliran udara terhadap volume (b) Plot volume udara terhadap waktu
Pada gambar (4.11.a) ditampilkan grafik aliran terhadap volume untuk mengetahui tingkat kontinuitas loop dari inspiratori ke ekspiratori. Bentuk loop penting untuk memberikan interpretasi watak spirometriknya. Berdasarkan posisi ujung kanan kurva bagian bawah maka dapat diketahui kontinuitas nafas dari inspiratori ke ekspiratori, sedangkan dari posisi ujung kiri bagian bawah kurva maka dapat diketahui apakah terjadi penyempitan batang tenggorokan atau pembengkakan. Gambar (4.11.b) yaitu kurva volume terhadap waktu merupakan alternatif lain untuk menampilkan hasil spirometrik. - oOo -
Fluida 79
80
Fisika Kesehatan
BAB V
THERMODIN AMIKA THERMODINAMIKA
A. Pendahuluan
T
ermodinamika berasal dari dua kata, yaitu thermal (yang berkenaan dengan panas) dan dinamika (yang berkenaan dengan pergerakan). Jadi thermodinamika adalah ilmu mengenai fenomena tentang energi yang berubah-ubah karena pengaliran panas dan usaha yang dilakukan. Misalnya suatu benda dinaikkan suhunya maka timbul pemuaian. Pada proses ini terdapat suatu pemindahan panas dan juga bekerja suatu gaya yang mengalami perpindahan sehingga mengakibatkan terlaksananya suatu usaha. Dengan demikian termodinamika merupakan akar dari beberapa cabang ilmu fisika. Dalam mempelajari termodinamika bukan hanya fenomena suhu tetapi juga tuntutan logika, sifat-sifat gas, larutan zat padat dan reaksi kimia.
B. Temperatur Konsep temperatur dapat mudah dikenal dengan adanya perasaan panas atau dingin. Panas atau dinginnya suatu benda dapat dirasakan dengan menyentuhnya, meskipun demikian kita tidak dapat menyatakan dengan tepat berapa kuantitas suhu benda tersebut. John Locke pada tahun 1969 melakukan percobaan dengan mencelupkan tangan kiri pada ember yang berisi air dingin dan tangan kanan pada ember yang berisi air hangat selama kira-kia 30 sekon. Kemudian dengan cepat memindahkan kedua tangannya ke dalam ember berisi air yang suhunya di antara air dingin dan hangat. Air terasa lebih sejuk untuk tangan kanan dan lebih hangat untuk tangan kiri. 81
Hasil percobaan di atas menunjukkan perasaan kita keliru menilai suhu. Oleh karena itu diperlukan suatu alat untuk mengukur suhu dan dinyatakan dengan suatu angka. Alat tersebut adalah thermometer. Beberapa sifat fisis zat berubah jika dipanaskan. Perubahan sifat fisis zat jika dipanaskan disebut sifat termometrik zat, di antaranya adalah volume zat cair, panjang logam, hambatan listrik seutas logam, tekanan gas pada volume tetap, volume sejumlah gas pada tekanan tetap, dan warna sebuah kawat pijar (filamen) lampu. Sifat termometrik zat dapat dimanfaatkan untuk mengukur suhu pada thermometer. Thermometer yang sering digunakan dalam kegiatan laboratorium maupun praktik klinik dasar pembuatannya dengan perubahan volume zat cair ketika terjadi perubahan suhu. Sedangkan zat cair yang digunakan adalah air raksa maupun alkohol yang diberi warna. Air raksa dan alkohol digunakan sebagai bahan pengisi thermometer karena kedua zat cair tersebut perubahan volumenya teratur. Air raksa memiliki titik beku -39oC sedangkan titik didihnya 357oC (dapat digunakan untuk mengukur suhu tinggi), sedangkan alkohol memiliki titik beku -115oC dan titik didih 78oC 9dapat digunakan untuk mengukur suhu yang sangat rendah); tidak membasahi dinding kaca, dan untuk air raksa sebagai konduktor panas yang baik. 1. Suhu dan Energi Termal Di dalam suatu zat, molekul satu dengn molekul yang lain dikendalikan oleh gaya elastis yang analog dengan pegas. Molekul ini bergerak maju dan mundur dari titik setimbangnya. Maka pada molekul ini ada energi kinetik dan energi potensial. Karena energi internal ini terkait dengan keadaan panas dan keadaan dingin benda maka dikenal dengan energi termal. Energi termal adalah energi total benda yaitu jumlah energi kinetik dan energi potensial molekuler benda. Jika dua buah benda disinggungkan satu sama lain maka energi termal akan ditransfer dari benda yang satu menuju ke benda yang lain. Misal besi panas dimasukkan ke air. Energi panas termal akan dipinahkan dari besi ke air sampai dicapai keadaan setimbang yang disebut kesetimbangan termal. Dengan kata lain besi dan air telah mencapai keadaan yang sama dan tidak ada transfer energi termal. 82
Fisika Kesehatan
Dua benda dikatakan dalam kesetimbangan termal jika dan hanya jika suhu kedua benda tersebut sama. Transfer energi hanya mungkin jika suhu kedua benda berbeda. Untuk kepentingan pengukuran suhu maka sangat penting diperhatikan bahwa thermometer pada akhirnya memiliki suhu yang sama dengan benda yang diukur. 2. Pengukuran Suhu Suhu dapat diukur pada besaran mekanik, optik maupun elektrik yang bervariasi terhadap suhu. Jika pertambahan ukuran benda dapat diketahui kaitannya dengan perubahan suhu maka dalam keadaan sebaliknya variasi panjang yang dikehendaki dapat dikalibrasi dengan menentukan suhunya. Alat yang dikalibrasi untuk keperluan ini disebut thermometer, yaitu alat ukur berskala yang dapat digunakan untuk menunjukkan suhu. . Cara menggunakan thermometer adalah dengan memasang thermometer tersebut kontak dengan benda lain sampai antara benda dan thermometer terjadi kesetimbangan termal. Thermometer dibuat berdasarkan sifat termometrik yaitu terjadinya perubahan volume akibat adanya perubahan suhu. Thermometer umum saat ini terdiri dari tabung kaca dengan ruang di tengahnya diisi air raksa atau alkohol yang diberi warna merah. Jika thermometer disentuhkan pada benda panas maka air raksa atau alkohol dan tabung kaca akan memuai. Karena pemuaian zat cair lebih besar dari tabung kaca, maka ketinggian zat cair akan naik dalam tabung. Zat cair yang banyak digunakan untuk mengisi thermometer yaitu air raksa. Karena air raksa mempunyai kelebihan antara lain: a. Mudah dilihat (mengkilap) b. Pemuaiannya teratur c. Tidak membasahi dinding d. Peka terhadap perubahan suhu Gambar 5.1 Thermometer karena kalor jenisnya kecil e. Jangkauan pengukurannya luas, karena mempunyai titik beku -39oC dan titik didih 357oC.
Thermodinamika 83
Thermometer dibuat dengan menyesuaikan terhadap thermometer standar. Untuk menentukan sistem skala suhu diperlukan dua titik acuan, yaitu: a. Titik tetap bawah, menggunakan suhu es yang melebur, yaitu suhu di mana es dan air berada dalam kesetimbangan pada tekanan 1 atm (tekanan udara normal 76 cmHg). b. Titik tetap atas, menggunakan suhu air yang mendidih, yaitu suhu di mana air dan uap berada dalam kesetimbangan pada tekanan 1 atm (tekanan udara normal 76 cmHg). Hubungan antara skala suhu dalam derajat Celcius (C), Reamur (R) dan Fahrenheit (F) dapat dituliskan sebagai berikut: a. 0oC – 0oR – 32oF sebagai tetap bawah b. 100oC – 80oR – 212oF sebagai tetap atas c. 100 skala C = 80 skala R = 180 skala F d. Perbandingan skala C : R : F = 5 : 4 : 9 Hubungan antara suhu C, R dan F adalah: ⎛4 ⎞ T oC = ⎜ T ⎟ o R ⎝5 ⎠ ⎛5 ⎞ T o R =⎜ T ⎟ oC ⎝4 ⎠ ⎛9 ⎞ T oC =⎜ T + 32⎟ o F ⎝5 ⎠
⎛9 ⎞ T o F =⎜ T − 32⎟ oC ⎝4 ⎠ ⎛9 ⎞ T o R =⎜ T + 32⎟ o F ⎝4 ⎠ ⎛4 ⎞ T o F =⎜ T − 32⎟ o R ⎝9 ⎠ 84
Fisika Kesehatan
Selain skala suhu C, R dan F, terdapat skala suhu Kelvin (K), yaitu skala suhu mutlak atau skala termodinamika. Pada skala ini suhu dinyatakan dalam Kelvin atau K. Berdasarkan eksperimen diperoleh bahwa titik beku air (0oC) adalah 273,15 K dan titik didih air adalah 373,15 K. Dalam praktik angka tersebut ditulis 273 K dan 373 K, maka terdapat hubungan antara skala celcius dan skala Kelvin sebagai berikut: T oC = (T + 273)K TK =(T − 273)oC Secara umum hubungan antara dua thermometer dapat dituliskan sebagai berikut:
TA−TbA T Tb = B− B TaA − TbA TaB − TbB Keterangan : TA = suhu A TaA= titik tetap atas A TaB = titik tetap atas B
(5.1)
TB = suhu B TbA = titik tetap bawah B TbB = titik tetap bawah B
Gambar 5.2 Hubungan skala Celcius, Fahrenheit dan Kelvin
Thermodinamika 85
Contoh: Suhu suatu benda menunjukkan angka 20oR, tentukan angka yang ditunjukkan oleh skala Celcius, Fahrenheit dan Kelvin! Jawab: TR = 20oR
9 TF = TC + 32 5
TK = TC + 273
9 20 + 32 5
= 25 + 273
TC =
5 TR 4
=
=
5 TR 4
= 36+32
= 25oC
= 298 K
= 68oF
3. Pengaturan Suhu Tubuh Burung dan mammalia secara fisiologis digolongkan dalam Worm Blooded atau homotermal. Organisme homotermal ini secara umum dapat dikatakan suhu tubuhnya senantiasa tetap atau konstan walaupun suhu lingkungan berubah. Hal ini disebabkan karena adanya interaksi secara berantai antara pembentukan panas dan kehilangan panas pada tubuh. Kedua proses tersebut dalam keadaan tertentu aktivitsnya diatur oleh susunan syaraf pusat yang mengatur metabolisme, sirkulasi (peredaran darah), perspirasi (penguapan), dan pekerjaan otot-otot skeletal. Tubuh manusia selalu berusaha mempertahankan temperatur tubuh tetap konstan walaupun terjadi perubahan temperatur lingkungan. Pengaturan fisik panas secara implicit adalah sejumlah total dari proses fisiologis di mana terjadi peningkatan dan penurunan panas dari tubuh manusia. Pengaturan temperatur atau regulasi termal ialah suatu pengaturan secara komplek dari suatu proses fisiologis di mana terjadi kesetimbangan antara produksi panas (heat product) dan kehilangan panas (heat lost) sehingga suhu tubuh dapat dipertahankan secara konstan. 86
Fisika Kesehatan
Panas dapat hilang dan masuk ke lingkungan dengan cara konveksi, radiasi dan evaporasi; konduksi tidak pernah terjadi. Kehilangan panas melalui radiasi dapat terjadi apabila temperatur udara berhubungan langsung dengan tubuh dan temperatur sekeliling obyek tersebut sangat rendah. Kehilangan panas secara konveksi terjadi apabila temperatur sekeliling objek lebih rendah dari pada suhu tubuh. Kehilangan panas akibat evaporasi (penguapan) adalah hubungan antara output dari evaporasi kulit dan pernafasan dari paruparu. Peristiwa konveksi, radiasi, dan evaporasi ini semuanya dikontrol oleh susunan syaraf pusat agar mencapai kesetimbangan termal. Di kulit terdapat Krause’s and bulb dan Meismer’s Corpuscle yang mengatur temperatur panas dan dingin. Melalui syaraf motor somatic dan syaraf visero motoris via hipofise anterior dan kelenjar endokrin, maka produksi panas dan pelepasan panas dapat diatur. Di kulit terdapat Counter Current di mana terjadi pembesaran pembuluh darah pada satu bagian sedangkan pada bagian lain terjadi konstruksi penguncupan yang hal ini diatur juga oleh susunan syaraf pusat. Pada keadaan kritis misalnya dingin atau panas yang menyengat, keadaan ini langsung mempengaruhi fisiologis thermostat yaitu hipotalamus dan preoptik. Hipotalamus posterior mengatur suhu dingin yang kritis. 4. Topografi Temperatur Badan dan Kulit Temperatur 37oC diterima sebagai temperatur normal tubuh manusia. Untuk mengukur temperatur badan dan kulit terdapat banyak kesukaran. Di klinik sering dipakai lokasi pengukuran temperatur pada ketiak (aksila), sub lingual (di bawah lidah), dan rectal (dubur). Temperatur liang rectal 0,3 oC sampai dengan 0,5oC lebih tinggi dari pada temperatur aksila. Pada gambar (5.3) terlihat topografi temperatur pada kulit manusia. Daerah tubuh maupun kepala mempunyai temperatur kulit lebih tinggi dari pada anggota badan. Salah satu metode untuk mengetahui rata-rata temperatur kulit (mean skin temperature) yang lazim digunakan adalah: 0,07 Tkepala + 0,14 Tlengan + 0.05 Ttangan + 0,07 Tkaki+ 0,13Tbetis+ 0,09Tpaha + 0,35 Tbatang tubuh
(5.2)
Thermodinamika 87
M eat eanSt b H
Gambar 5.3 Topografi temperatur pada kulit manusia Dengan mengetahui temperatur kulit rata-rata tersebut dapat menghitung temperatur tubuh rata-rata dengan persamaan:
(0,69 X tem p.rektal)+ (0,33 X tem p.kulitrata -rata) (5.3)
Kwantitas ini berkaitan dengan panas yang tertampung di dalam tubuh manusia (Heat storage). Untuk menghitung banyaknya panas yang tertampung di dalam tubuh harus menghitung perubahan temperatur tubuh rata-rata dikalikan dengan panas spesifik dan massa badan. Secara matetamis dapat dirumuskan dengan persamaan: (5.4)
88
Fisika Kesehatan
Nilai panas spesifik tubuh manusia diperoleh dari hasil eksperimen sebesar 0,83 gram kalori/gram/oC. Dengan mengetahui persamaan kulit rata-rata maka dapat dihitung besarnya konduksi panas (heat conductance). Heat Conductance adalah ratio antara ratarata transfer panas (rate of heat transfer)/rata-rata alih panas dengan perbedaan temperatur antara temperatur internal/rectal dengan temperatur kulit rata-rata. Secara matematis dapat dirumuskan sebagai berikut (5.6)
C. Kalor Jenis Jika kalor diberikan pada suatu benda, maka temperatur benda akan naik. Dari hasil eksperimen diperoleh hasil bahwa besar kalor Q yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur suatu zat sebanding dengan massa m dan perubahan temperatur ∆T zat tersebut. Hal ini dapat dinyatakan dengan persamaan Q = mQc∆T Rateofheattransfer c H=eatConductance = (5.7) m ∆T Rectaltem p.− m eanskin tem p. di mana c adalah kalor jenis yang merupakan besaran karakteristik dari zat tersebut. Kalor jenis adalah nilai yang menyatakan jumlah atau banyaknya kalor yang diperlukan oleh suat zat untuk menaikkan suhunya sebesar 1oC tiap sau satuan massa. Dapat dinyatakan dalam persamaan: (5.8) maka satuan kalor jenis adalah J/kgoC (dalam SI) atau cal/goC (dalam cgs).
Thermodinamika 89
Tabel 5.1 Kalor jenis zat Zat
C, kJ/kg K
Aluminium Bismuth Tembaha Emas Es (-10oC) Timah hitam Perak Tungsten Seng Alkohol (ethyl) Raksa Air
0,900 0,123 0,386 0,126 2,05 0,128 0,233 0,134 0,387 2,4 0,140 4,18
C, kkal/kg K atau Btu/lb oF 0,215 0,0294 0,0923 0,0301 0,49 0,0305 0,0558 0,0321 0,0925 0,58 0,033 1,00
Cm, J/ml-K 24,3 25,7 24,5 25,6 36,9 26,4 24,9 24,8 25,2 111 28,3 75,2
Contoh soal 1. Berapakah kalor yang diperlukan untuk memanaskan air 250 cm3 dari suhu 20oC menjadi 35oC? 2. Berapa kalor dilepas air kalau air kembali mendingin sampai 20o C? Penyelesaian: Karena 250 cm3 air massanya 250 g, dan karena cair = 1,00 J/kgoC, maka 1. Q = m c∆T = (250 g) (1 cal/goC) (15 oC) = 3750 cal. 2.
= (250 g) (1 cal/goC) (-15 oC) = -3750 cal.
D. Kalorimetri Ketika bagian-bagian yang berbeda dari sistem yang terisolasi berada pada temperatur yang berbeda, kalor akan mengalir dari bagian benda bertemperatur tinggi menuju bagian benda yang bertemparatur lebih rendah hingga tercapai suatu keadaan di mana temperatur semua bagian benda sama. Hal ini dikatakan benda pada keadaan kesetimbangan termal. Kehilangan kalor sebanyak satu bagian sistem sama dengan kalor yang 90
Fisika Kesehatan
Q =mc
didapat oleh bagian yang lain. Hukum kekekalan energi berperan dalam keadaan ini dimana: Kalor yang hilang = kalor yang diterima Teknik pertukaran energi panas tersebut dikenal dengan nama kalorimetri. Sedangkan peralatan yang digunakan untuk mengukur panas yang hilang maupun panas yang diterima adalah kalorimeter. Satu kegunaan yang penting dari kalorimeter adalah dalam penentuan kalor jenis zat
Gambar 5.4 Kalorimeter
Kalorimeter terdiri dari cairan yang akan diberi kalor yang berasal dari listrik melalui pemanas air. Panas air di dalam kalorimeter berasal dari listrik yang membangkitkan energi: W = VIt
(5.9)
dengan V tegangan listrik (volt), I arus yang mengalir (ampere) dan t waktu lamanya pengaliran (sekon). Energi listrik ini dipakai oleh cairan di dalam kalorimeter untuk menaikkan suhunyua sebasar ToC. Benda yang akan ditentukan kalor jenisnya ditimbang terlebih dahulu kemudian dimasukkan ke dalam kalorimeter. Jika turunnya suhu cairan akibat dimasukkan benda tersebut maka besarnya kalor yang dilepaskan cairan sama dengan:
Thermodinamika 91
Q = m cC c∆T
( 5.10)
Sedangkan kalor yang diterima oleh benda : Q = m bC b ∆T
( 5.11)
Karena mb dan ∆T telah dikatahui maka cb dapat diketahui, yaitu:
cb =
m c cc ∆T m b ∆T
(5.12)
Contoh: Kalorimeter tembaga dengan massa 200 g berisi minyak 150 g pada suhu 20oC. Dalam minyak dicelupkan sepotong aluminium 80g bersuhu 300oC. Setelah keadaan kesetimbangan termal tercapai, berapakah suhu sistem? Penyelesaian: ctembaga = 0,093 kal/goC, cAl = 0,021 kal/goC, cminyak = 0,37 kal/goC. Kalor yang dilepas aluminium = kalor yang diserap minyak dan kalorimeter
(m c∆Τ ) Al = (m c∆Τ )tem baga + (m c∆Τ )m in yak (0,21cal/g oC )(80g)(300o C − t)= (0,093cal/g oC )(200g)(t− 20o C ) + (0,37cal/g oC )(150g)(17o C ) t = 72oC
E. Perpindahan Panas Panas adalah bentuk energi yang bergerak. Jika dua benda memiliki suhu yang berbeda atau dua bagian dari suatu benda memiliki suhu yang berbeda, maka panas akan mengalir dari benda (bagian benda) yang bersuhu tinggi ke benda (bagian benda) yang bersuhu rendah. Ada beberapa prinsip perpindahan panas, yaitu: konduksi, konveksi, radiasi dan evaporasi. Energi panas yang hilang atau masuk ke dalam tubuh manusia melalui kulit dapat secara keempat prinsip tersebut.
92
Fisika Kesehatan
1. Konduksi Konduksi adalah perpindahan panas oleh tumbukan antar molekul yang bertetangga. Atau dapat juga diartikan proses perpindahan panas dari suatu obyek yang bersuhu lebih tinggi menuju obyek yang bersuhu lebih rendah dengan jalan kontak langsung. Misalnya jika kita memegang batang besi yang bagian ujungnya dipanaskan di api, maka panas akan segera terasa oleh tangan kita melalui konduksi. Proses perpindahan panas akan terus berlanjut selagi masih ada beda suhu antar bagian batang besi tersebut. Untuk berbagai bahan, panas yang diterima atau dilepaskan melalui konduksi berbeda-beda. Logam akan terasa lebih dingin dibandingkan kayu meskipun jika diukur kedua bahan bersuhu sama. Hal ini dikarenakan karena logam lebih cepat menghantarkan panas ke tangan kita dibandingkan dengan kayu. Logam seperti perak, tembaga, aluminium dan emas merupakan penghantar panas yang baik. Non logam seperti gelas, asbes dan fiberglass merupakan konduktor yang buruk atau insulator yang baik. Q ∆T ∞A ∆x t
Misal selembar pelat memiliki luas penampang A dan tebal x, kedua permukaannya dipertahankan pada suhu yang berbeda. Akan diukur panas Q yang mengalir tegak lurus terhadap permukaan selama waktu t. Eksperimen menunjukkan bahwa untuk beda suhu antara kedua permukaan tersebut ∆ T (oC), Q (Joule) sebanding dengan waktu t (sekon) dan luas penampang A, dan jika t dan A kecil maka Q sebanding dengan T/x (gradient suhu) untuk t dan A yang diberikan. Maka: (5.13) Jika tebal pelat dx (cm) tipis sekali, beda suhu antara kedua permukaan adalah dT, maka dapat diperoleh rumus konduksi: dQ dT = − kA dx dt
(5.14)
Dalam hal ini dQ/dt adalah laju perpindahan panas terhadap waktu, dT/dx gradient suhu dan k adalah konstanta kesebandingan
Thermodinamika 93
yang disebut konduktivitas termal (W/mk). Arah aliran panas dipilih ke pertambahan nilai x. Karena jika x semakin bertambah maka suhu T semakin berkurang, sehingga di ruas kanan persamaan (5.14) diberi tanda minus (jadi dQ/dT bertanda plus jika dT/dx minus). Menurut para ahli faal, perpindahan panas dari kulit ke udara secara geometris ditunjukkan dengan gambar 5.5 sebagai berikut:
Gambar 5.5 Perpindahan panas dari kulit ke udara
Pada jarak X (dari dalam sampai permukaan kulit) mempunyai temperatur sebesar T 1 dan pada jarak yang sama di udara temperaturnya T2, di antara kedua permukaan temperatur Ti. Aliran panas melalui kulit harus sama dengan udara sekitarnya, maka asumsi kita:
Q=
Di permukaan kulit
Di udara
Q =−
ka (T2 − T1 ) ∆X
Jadi
Q =−
ks (T1 − T1 ) = − ka (T2 − Ti) ∆X ∆X
Q=
94
ks (Ti − T1 ) ∆X
Fisika Kesehatan
ks ka (T2 − T1 ) . ks + ka ∆X
(5.15)
(5.16)
(5.17)
Q = kalor yang berpindah secara konduksi antara kulit dan udara (3) ks = koefisien konduktivitas kulit (3/m2soC) ka = koefisien konduktivitas udara (3/m2soC) T2 –T1 = perbedaan suhu antara badan dan kulit (oC) 2. Konveksi Konveksi adalah aliran panas melalui fluida dari tempat yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah dengan gerakan atau aliran partikel-partikel fluida itu sendiri. Pada konveksi, kalor berpindah bersama-sama dengan perpindahan partikel zat. Beberapa contoh peristiwa konveksi adalah terjadinya angin laut dan angin darat. Pada siang hari suhu udara di darat lebih tinggi dari pada suhu permukaan laut sehingga terjadi aliran udara dari laut ke darat (angin laut). Sedangkan pada malam hari udara di darat suhunya lebih rendah dari pada suhu udara di permukaan laut, maka terjadi aliran udara dari darat ke laut (angin darat). Contoh lain adalah sistem pemanas air dan ventilasi rumah. Beberapa faktor yang mempengaruhi perpindahan kalor secara konveksi antara lain adalah: bentuk permukaan (datar atau lengkung), posisi permukaan (horisontal atau vertikal), jenis fluida (cair atau gas), kerapatan, kekentalan, kalor jenis, konduktivitas fluida, kecepatan aliran fluida dan keadaan fluida dalam hal perubahan fase (penguapan atau pengembunan). Untuk perhitungan secara praktis digunakan persamaan: Q = h A ∆T t
Q A T t h
= = = = =
(5.18)
jumlah kalor yang dipindahkan secara konveksi (J) luas permukaan (m2) perbedaan suhu antara permukaan fluida (oC atau K) lama waktu proses konveksi tersebut berlangsung (s) koefisien konveksi (J/m2soC)
Konveksi secara alam dapat terjadi oleh karena pemanasan yang asimatris. Gaya konveksi dapat terjadi apabila angin secukupnya mengalir melewati tubuh. Pertukaran panas dan gaya konveksi adalah berbanding lurus dengan beda temperatur antara kulit dan udara
Thermodinamika 95
serta kecepatan udara. Aliran panas secara konveksi yang terjadi antara kulit dan lingkungan dapat dituliskan dengan persamaan: (5.19) Q = kalor yang berpindah secara konveksi antara kulit dan lingkungan (J) V = kecepatan angin (m/s) 8,3= konstanta di mana seseorang berdiri berhadapan dengan tiupan udara Ta = temperatur udara (oC) Ts = temperatur kulit (oC) Persamaan tersebut diperoleh secara empiris dan dikenal sebagai hukum Newton mengenai konveksi. Tubuh manusia menghasilkan energi termal yang besar. Energi diubah dari makanan di dalam tubuh, maksimal 20% digunakan untuk kerja, sehingga lebih dari 80% muncul sebagai energi termal. Kalor yang dihasilkan oleh tubuh harus ditransfer ke luar. Jika energi termal ini tidak dikeluarkan, dalam aktivitas ringan, maka temperatur tubuh akan naik sekitar 3oC per jam. Kalor dalam tubuh akan dibawa ke permukaan tubuh oleh darah. Sebagai tambahan bagi peranannya yang penting, darah berfungsi sebagai fluida konvektif untuk mentransfer kalor sampai persis di bawah permukaan kulit. Kalor kemudian dihantarkan (melalaui jarak yang sangat kecil) ke permukaan dan kemudian ditransfer ke lingkungan dengan konveksi, penguapan dan radiasi. 3. Radiasi Radiasi adalah proses perpindahan panas oleh gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik tersebut bergerak dengan kecepatan 186mil/s atau 300 juta m/s, dan untuk bergerak tidak memerlukan medium perantara. Jika kita meletakkan tangan di samping api maka tangan akan terasa panas. Panas merambat melalui radiasi. Sumber energi radiasi yang utama adalah matahari. Pada lampu listrik, energi dipancarkan dari filament yang dipanaskan melewati tabung gas walaupun di dalam tabung tidak ada gas. Hal ini 96
Fisika Kesehatan
Q = 8,3V
membuktikan perambatan panas melalui radiasi tidak membutuhkan zat perantara. Semua benda secara kontinyu memancarkan energi radiasi. Pada suhu rendah maka laju emisinya kecil, sedangkan pada suhu tinggi maka laju emisinya akan besar. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa laju radiasi berbanding lurus dengan luas benda dan pangkat 4 suhu mutlak benda. Hasil ini ditemukan secara empiris oleh Josef Stefan pada tahun 1879 dan diturunkan secara teoritis oleh Ludwig Boltzmann kira-kira lima tahun kemudian, sehingga dinamakan Hukum Stefan Boltzmann. Menurut Stefan Boltzmann, laju emisi radiasi (energi yang dipancarkan) oleh benda yang memiliki luas A pada suhu T adalah: ∆Q = eσAT 4 W /m 2 ∆t
(5.20)
dengan A adalah luas, T adalah konstanta emisi (disebut juga konstanta Stefan-Boltzmann) yang besarnya 5,67 x 10-8 W/m2K4, e emisivitas yang tergantung pada permukaan bahan yang meradiasikan. Nilai e memiliki jangkauan mulai dari 0 yaitu untuk reflektor sempurna (atau ∆Q 4 = eσAr(Tsradiator − Tw 4 )sempurna yaitu benda hitam) sampai dengan 1 yaitu untuk ∆t benda hitam sempurna. Benda hitam merupakan penyerap radiasi yang baik sehingga disebut radiator. Di bidang ilmu faal dikatakan bahwa panas tubuh yang melakukan radiasi ke dalam udara di mana sebelumnya telah memperoleh panas dari lingkungan. Dengan demikian maka persamaan kecepatan total aliran kalor radiasi dituliskan: (5.21) QRadisi e σ A r
= Jumlah kalor yang dipindahkan secara radiasi (J) = emisivitas dari manusia = Konstanta Stefan –Boltzmann = luas permukaan tubuh = perbandingan permukaan raediasi efektif oleh Du Bois, 0,78 untuk seseorang yang berdiri tegak, 0,85 untuk orang yang bergerak
Thermodinamika 97
Tw Ts
= temperatur dinding dalam derajat absolute (K) = temperatur kulit dalam derajat absolute (K)
Contoh: kehilangan kalor tubuh karena radisi Seorang atlit duduk tanpa pakaian di kamar ganti yang dindingnya gelap pada temperatur 15oC. Perkirakan kecepatan kehilangan kalor dengan radiasi dengan menganggap temperatur kulit sebesar 34oC dan e = 0,70. Anggap permukaan tubuh yang tidak bersentuhan dengan kursi sebesar 1,5 m2. Jawab: = (0,70)(5,6 x 10-8 W/m2K4)(1,5m2)[(307 K)4- (288 K)4] = 120 Joule. Hal lain yang mempengaruhi laju emisi radiasi atau absorbsi radiasi adalah permukaan bahan dan jaraknya. Benda yang memiliki permukaan berwarna hitam akan memancarkan atau menyerap radiasi lebih cepat dibandingkan dengan benda yang berwarna terang atau berpermukaan halus. Misal bola berwarna hitam dengan bola berwarna perak dipanaskan pada suhu yang sama, maka bola berwarna hitam akan lebih cepat dingin setelah dipanaskan. Radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda pada temperatur di bawah sekitar 600oC tidak tampak. Kebanyakan daripadanya dipusatkan pada panjang gelombang yang jauh lebih panjang daripada panjang gelombang cahaya tampak. Bila kita pelajari cahaya, akan kita lihat bahwa cahaya tampak adalah radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang antara sekitar 400 dan 700 nm. Bila sebuah benda dipanaskan, laju pancaran energi naik dan energi yang diradiasikan meluas ke panjang gelombang yang semakin pendek. Antara 600oC dan 700oC, cukup banyak energi yang diradiasikan berada dalam spektrum tampak yang menyebabkan benda berpijar merah pudar. Pada tempeatur yang lebih tinggi, benda menjadi merah cerah atau bahkan putih panas.
98
Fisika Kesehatan
Q Radiasi
Panjang gelombang pada saat daya maksimum berubah secara terbalik dengan temperatur, hal ini dikenal dengan hukum pergeseran Wien:
λ m aks =
2,898m m .K T
(5.22)
Hukum ini digunakan untuk menentukan temperatur bintang dari analisis radiasinya. Hukum ini juga dapat digunakan untuk memetakan variasi temperatur meliputi daerah-daerah yang berbeda dari permukaan sebuah benda. Peta semacam ini disebut termograf. Termografi Termograf merupakan alat yang digunakan untuk mengukur jumlah radiasi infra merah yang hasilnya berupa perbedaan warna pada termogram. Berdasarkan bahwa setiap benda memancarkan radiasi, maka pada tahun 1950 telah ada usaha untuk membuat termogram dari infra red radiasi permukaan tubuh manusia. Dan tekhnik ini banyak dipergunakan dalam bidang klinik untuk keperluan diagnosis. Termogram dapat digunakan untuk mendeteksi kanker karena bahan yang mengandung kanker mempunyai temperatur yang sedikit lebih tinggi dibandingkan daerah sekitarnya. Jaringan yang dipenuhi kanker lebih panas karena lebih banyak dialiri darah atau lebih banyak terjadi metabolisme dibanding dengan tempat yang lain. Selain itu juga dapat digunakan untuk mendiagnosis penyakit pembuluh darah (vascular disease) dan lain-lain. Skema dasar termografi dapat dilihat pada gambar 5.6.
Gambar 5.6 Skema sistem termografi
Thermodinamika 99
Radiasi yang datang dari penderita akan diterima oleh cermin A, kemudian direfleksikan ke cermin B. Dari cermin B ini gelombang radiasi akan diterima oleh detektor dan diteruskan ke amplifier sebagai penguat gelombang radiasi. Sebagai display digunakan CRT (Cathode Ray Tube / tabung sinar katoda / osiloskop). Unit termografi yang khas dipergunakan di klinik dapat ditunjukkan pada gambar 5.7 di bawah ini.
Gambar 5.7 Unit termografi yang digunakan dalam praktik klinik
Radiasi dari suatu daerah yang kecil (=5 mm) melewati susunan cermin kemudian melewati chopper ke detektor yang biasa dilengkapi dengan pendingin untuk memperoleh sensitivitas. Fungsi chopper adalah mengubah radiasi yang kontinyu menjadi sinyal AC sehingga mudah diperkuat oleh amplifier. Penggunaan filter transparan infra red untuk menghilangkan visible light (sinar tampak) dan detektor merubah infra red radiasi dari panas tubuh menjadi sinyal listrik dan disesuaikan dengan proporsi temperatur tubuh yang memancarkan radiasi. Agar dapat memberikan gambaran dari seluruh permukaan tubuh, maka cermin tersebut dapat diatur secara mekanis. Posisi dan pembesaran radiasi dari tiap-tiap bagian tubuh pasien akan tampak pada display/CRT/osiloskop. Terangnya bayangan ditentukan oleh temperature; dan posisi dari screen (layar) disesuaikan dengan areal tubuh yang akan diskanning. Pada CRT (display) daerah panas akan ditunjukkan sebagai bayangan hitam atau putih. Untuk memperoleh gambaran termografi yang jelas, tidak cukup menggunakan termogragi yang monokromatis, 100 Fisika Kesehatan
sebaiknya menggunakan color termography/termografi yang berwarna. Syarat yang perlu diperhatikan pada waktu akan melakukan termografi adalah: a. Pakaian penderita harus dilepaskan sebelum melakukan termografi. b. Penderita sebelumnya harus ditempatkan dalam ruangan yang suhunya 21 o C selama 20 menit, dengan tujuan agar penderita beradaptasi terlebih dahulu sehingga pada waktu melakukan termografi akan tampak kontras yang jelas.
Gambar 5.8 Termograf seorang anak dan anjingnya; daerah yang terang menunjukkan temperatur yang tinggi
4. Evaporasi Evaporasi adalah peralihan panas dari bentuk cairan menjadi uap. Manusia kehilangan sekitar 9.103 kalori/gram melalui penguapan paru-paru. Dengan aktifitas berat atau lingkungan panas, seseorang akan minum 4 liter/jam, ini merupakan suatu proses pertukaran energi termal. Kehilangan panas secara evaporasi dapat terjadi apa bila: a. Perbedaan tekanan uap air antara keringat pada kulit dengan udara ambien (lingkungan). b. Temperatur lingkungan rendah dari normal sehingga evaporasi dari keringat dapat terjadi dan dapat menghilangkan panas dari tubuh, hal ini dapat terjadi apabila temperatur basah kering di bawah temperatur kulit. c. Adanya gerakan angin. d. Adanya kelembaman.
Thermodinamika 101
Dengan demikian kehilangan panas secara evaporasi melewati kulit dapat dituliskan dengan persamaan: Q m aksim um = 13,7 − V 0,5 (Pkulit − Pudara )
Qmaksimum V Pkulit Pudara
(5.23)
= panas yang hilang secara evaporasi melalui kulit (J) = kecepatan angina (m/s) = tekanan uap air pada kulit (millibar) = tekanan uap air pada udara (millibar)
F. Kalor dan Usaha 1. Definisi Kalor dan Tenaga Kalor adalah tenaga yang mengalir dari suatu benda ke benda lain karena perbedeaan suhu. Sedangkan Kerja adalah tenaga yang dipindhkan dari suatu benda ke benda lain namun perbedaan suhu tidak terlibat secara langsung. Pada dasarnya perubahan suatu benda dari satu keadaan ke keadaan lain adalah perubahan dari satu kesetimbangan ke kesetimbangan yang lain. Proses yang demikian disebut proses termodinamika. Proses termodinamika terjadi karena suatu sistem berinteraksi dengan lingkungannya, sehingga dalam proses ini baru dapat didefinisikan sebagai kalor dan kerja. Dalam termodinamika, kalor yang dipindahkan diberi lambang Q dan kerja yang dilakukan diberi simbol W. W W Batas sistem Sistem dalam kesetimbangan awal a
Sistem berinteraksi dengan lingkungan
Sistem dalam kesetimbangan akhir c
b
Q Gambar 5.9 Proses menuju ke kesetimbangan yang lain
102 Fisika Kesehatan
Pada (a) sistem berada pada kesetimbangan awal yaitu setimbang dengan lingkungan luarnya. Pada (b) sistem berinteraksi dengan lingkungan melalui proses termodinamika khusus. Pada keadaan ini tenaga dalam bentuk kalor atau kerja dapat dilakukan masuk atau keluar sistem. Panah menyatakan bahwa aliran panas Q atu kerja W harus menembus permukaan yang melingkupi sistem tersebut. Pada (c) sistem telah mencapai keadaan akhir yang setimbang dengan lingkungannya. 2. Hukum I Termodinamika
U i − U f = ∆U
Hukum pertama termodinamika adalah pernyataan kekekalan energi. Hukum ini menggambarkan hasil banyak eksperimen yang menghubungkan usaha yang dilakukan pada sistem, panas yang ditambahkan pada atau dikurangkan dari sistem, dan energi internal sistem. Dari definisi mula-mula kalori, kita tahu bahwa dibutuhkan satu kalori panas untuk menaikkan temperatur 1 g air dengan 1oC. Akan tetapi kita juga dapat menaikkan temperatur air atau sistem lain apapun dengan melakukan usaha padanya tanpa menambahkan sedikitpun panas. Jika suatu sistem mula-mula memiliki tenaga dalam Ui dan kemudian diberikan kalor atau melakukan kerja sehingga tenaga dalamnya berubah menjadi Uf maka perubahan dalam sistem tersebut dapat dinyatakan dengan persamaan: (5.24) Dan tenaga dalam sistem (internal energy atau energi dakhil) sama dengan kalor yang diberikan pada sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem tersebut. ∆U = Q − W
(5.25)
Tenaga dalam U tidak tergantung pada jalan yang ditempuh dari keadaan awal menuju ke keadaan akhir. Jika perubahan tenaga dalam kecil sekali karena kalor yang diserap kecil sekali dQ sehingga kerja yang dilakukan juga amat kecil dW, maka:
Thermodinamika 103
(5.26) Persamaan (5.26) di atas merupakan pernyataan hukum pertama termodinamika. 3. Metabolisme sebagai konversi Energi Manusia dan hewan melakukan kerja. Kerja dilakukan ketika seseorang berjalan atau berlari, mengangkat benda yang berat dan berbagai aktivitas fisik lainnya. Kerja membutuhkan energi. Energi juga diperlukan untuk pertumbuhan, membuat sel-sel baru dan untuk menggantikan sel-sel lama yang telah mati. Banyak proses perubahan energi yang terjadi dalam satu organisme, dan proses ini disebut metabolisme. Metabolisme berarti change ialah kata yang dipakai untuk mengidentifikasi perubahan yang terjadi dalam kehidupan organisme yang bernyawa. Dalam arti luas metabolisme adalah jumlah total reaski kimia atau fisika yang diperlukan untuk kehidupan. Metabolisme juga dipakai dalam batasan untuk menunjukkan serangkaian reaksi dari tipe-tipe makanan (food stuff) atau derivatnya. Turunannya metabolisme karbohidrat misalnya metabolisme karbohidrat atau beberapa kompound partikel seperti metabolisme glukosa. Kadang-kadang menyatakan suatu obyek seperti water metabolism di mana substansi masuk ke dalam badan, bergerak ke berbagai bagian tubuh dan meninggalkan ginjal, kulit atau melalui rute yang lain. Kita dapat menerapkan hukum termodinamika pertama (persamaan 2.25) dalam proses metabolisme pada semua organisme misalnya manusia. Kerja W dilakukan oleh tubuh dalam berbagai kegiatan, dan jika hasilnya tidak berupa penurunan energi dalam dan temperatur tubuh, energi dengan suatu cara harus ditambahkan untuk mengimbangi. Bagaimanapun juga, energi dalam tubuh tidak dipertahankan oleh aliran kalor Q ke dalam tubuh. Biasanya temperatur tubuh lebih tinggi dari lingkungannya, sehigga tubuh akan melepas kalor karena kalor mengalir ke luar tubuh. Bahkan pada hari yang sangat panas ketika kalor diserap, tubuh tidak menggunakan kalor ini untuk menunjang 104 Fisika Kesehatan
dU = d
proses vitalnya. Dalam hal ini yang menjadi sumber energi adalah energi dalam (energi potensial kimia) yang tersimpan di makanan. Pada sistem tertutup, energi dalam berubah hanya sebagai hasil aliran kalor atau kerja yang dilakukan. Pada sistem terbuka seperti hewan, energi dalam itu sendiri dapat mengalir ke dalam atau ke luar sistem. Ketika kita menyantap makanan, kita membawa energi dalam langsung ke dalam tubuh kita, yang kemudian menaikkan energi dalam total U pada tubuh. Energi ini akhirnya dipakai untuk kerja dan aliran kalor dari tubuh menurut hukum pertama termodinamika. Kecepatan metabolisme adalah kecepatan di mana energi dalam diubah di dalam tubuh. Kecepatan ini biasanya dinyatakan dalam Kcal/jam atau dalam watt. Kecepatan metabolisme untuk berbagai kegiatan manusia diberikan pada Table 5.2 untuk orang dewasa dengan massa rata-rata 65 Kg. Tabel 5.2 Kecepatan Metabolisme (manusia 65 kg)
Kegiatan TIdur Duduk Tegak Kegiatan ringan (makan, berpakaian, pekerjaan rumah tangga) Kegiatan sedang (tennis, berjalan) Berlari (15 km/jam) Bersepeda balap
Kecepatan Metabolisme (pendekatan) Kkl/jam watt 60 70 100 115 200 230
400
460
1000 1100
1150 1270
Contoh soal perubahan energi dalam tubuh Berapa besar energi yang diubah dalam 24 jam oleh orang 65 Kg yang menghabiskan waktu 8,0 jam untuk tidur, 1,0 jam melakukan pekerjaan fisik yang sedang, 4,0 jam untuk kegiatan ringan, dan 11,0 jam untuk bekerja di meja atau bersantai?
Thermodinamika 105
Jawab: Karena 4,19 x 103J = 1 Kcal, nilai ini ekuivalen dengan 2800 Kcal; sehingga pemasukan makanan sebesar 2800 Kalori akan mengimbangi keluaran energi ini. Orang yang ingin menurunkan berat badannya harus makan kurang dari 2800 Kalori per hari, atau menaikkan tingkat kegiatannya. Ada dua kata yang terkandung dalam metabolisme, yaitu anabolisme dan katabolisme. Anabolisme digunakan untuk menunjukkan reaksi sintesis menjurus ke penyimpanan energi di dalam tubuh. Katabolisme menggambarkan kerusakan jaringan dan penggunaan dari sumber energi. Kedua kata ini luas dalam pemakaian tetapi sering sulit diartikan dan sering pula tercampur dalam pengertian. Suatu contoh sintesis dan penyimpanan lemak tubuh. Ketika lemak dibentuk dari karbohidrat dan disimpan dalam jaringan lemak tampak dalam proses ini pengertian anabolisme, katabolisme dapat terjadi pada saat yang sama dalam proses penggunaan energi dalam sintesis. Tetapi jelas dalam proses reaksi metabolisme akan tampak panas. Tubuh walaupun bukan mesin panas, yang dapat membakar seperti api yang membakar makanan, namun energi yang dihasilkan merupakan suatu substansi yang dioksidasi di dalam badan serupa dengan material yang dibakar di luar tubuh. Berdasarkan hal ini para ahli telah mengkonstruksi bom kalorimeter (oleh Richard dan Barry) untuk mencari beberapa kalori, apabila suatu bahan dibakar. Hasil pembakaran dengan kalorimeter pada bahan-bahan hewan: a. Untuk karbohidrat: Sukrosa menghasilkan 3,94 Kcal/gram Glukosa menghasilkan 3.74 Kcal/gram Glikogen menghasilkan 4,19 Kcal/gram Tepung menghasilkan 4,18 Kcal/gram b. Untuk lemak: Rata-rata menghasilkan 9,3 Kcal/gram c. Untuk protein: Rata-rata menghasilkan 5,6 Kcal/gram
106 Fisika Kesehatan
Untuk manusia diperoleh: a. Protein dan karbohidrat masing-masing 4,1 Kcal/gram b. Lemak: 9,3 Kcal/gram Berdasarkan hukum pertama termodinamika, total energi dalam suatu sistem berhubungan erat dengan pertukaran energi: Food intake = head loss + work output + energi storage
(5.26)
G. Kelembaban Udara Udara adalah 78 % nitrogen dan 21% oksigen ditambah sejumlah kecil gas-gas lain, seperti argon, karbondioksida dan uap air. Tekanan yang diberikan oleh udara adalah jumlah tekanan parsial yang diberikan oleh masing-masing gas yang membentuknya. Dalam udara dengan volume tertentu, tekanan parsial masing-masing gas tertentu : nitrogen, oksigen, uap air, atau apa pun, sama seperti jika gas itu menempati volume itu sendiri. Artinya, kehadiran gas-gas lain tidak mengubah tekanan parsial suatu gas. Hasil ini dikenal sebagai hukum Dalton. Tumbukan salah satu jenis molekul gas dengan dinding-dinding tabung tidak dipengaruhi oleh kehadiran jenis molekul lainnya. Jika lebih banyak uap air ditambahkan pada udara dengan volume tertentu pada suatu temperatur, maka tekanan parsial uap air bertambah. Bila tekanan parsial ini sama dengan tekanan uap untuk temperatur itu, maka udara dikatakan jenuh. Selanjutnya uap air mulai mengembun menjadi cairan air jika temperatur berada di atas titik lelah atau menjadi kristal es (salju atau bunga es) jika temperatur berada di bawah titik lelah. Rasio tekanan parsial uap air terhadap tekanan uap untuk temperatur tertentu dinamakan kelembaban relatif, yang biasanya dinyatakan dalam persen: Kelem baban relatif =
tekanan parsial × 100% tekananuap
(5.27)
Kelembaban relatif dapat ditambah, baik dengan menambah jumlah uap air di udara pada temperatur tertentu atau pun dengan menurunkan temperatur dan dengan demikian menurunkan tekanan uap. Temperatur
Thermodinamika 107
pada saat udara menjadi jenuh dengan uap air, artinya, temperatur ketika kelembaban relatif sama dengan 100%, dinamakan titik embun. Bila permukaan bumi menjadi dingin di bawah titik embun di malam hari karena radiasi, maka embun terbentuk jika titik embun di atas 0oC dan bungan es terbentuk jika titik embun di bawah 0oC.
H. Energi Panas dalam Praktik Klinik 1. Efek Panas Apa bila energi panas mengenai salah satu bagian tubuh akan mempengaruhi temperatur daerah tersebut. Efek panas dapat dibagi menjadi tiga, yaitu: a. Fisik, panas menyebabkan zat cair, padat, dan gas mengalami pemuaian segala arah. b. Kimia, kecepatan reaksi kimia akan meningkat dengan peningkatan temperatur. Reaksi oksidasi akan meningkat seiring dengan peningkatan temperatur, pernyataan ini sesuai dengan hukum Vant Hoff. Permeabilitas membran sel akan meningkat seiring dengan peningkatan suhu, pada jaringan akan terjadi peningkatan metabolisme seiring dengan peningkatan pertukaran antara zat kimia tubuh dengan cairan tubuh. c. Biologis, merupakan sumasi dari efek panas terhadap fisik dan kimia. Adanya peningkatan sel darah putih secara total dan fenomena reaksi peradangan serta adanya dilatasi (pelebaran) pembuluh darah yang mengakibatkan peningkatan sirkulasi darah dan tekanan kapiler. Tekanan O2 dan CO2 di dalam darah akan meningkat sedangkan pH darah akan mengalami penurunan. 2. Penggunaan Energi Panas dalam Pengobatan Transfer energi termis ke tubuh dapat melalui konduksi, konveksi, radiasi, dan evaporasi. Energi panas mula-mula akan penetrasi ke dalam jaringan kulit dalam bentuk berkas cahaya secara konduksi atau radiasi. Kemudian akan menghilang di daerah jaringan
108 Fisika Kesehatan
yang lebih dalam berupa panas. Panas tersebut kemudian diangkut ke jaringan lain dengan cara konveksi oleh cairan tubuh ke seluruh jaringan tubuh. Metode-metode yang dipakai dalam pengobatan adalah: a. Metode Konduksi Metode ini berdasar pada sifat fisik kedua benda yang apabila terdapat perbedaan temperatur antara kedua benda maka panas akan ditransfer secara konduksi dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Beberapa penggunaan metode konduksi dalam pengobatan adalah: 1) Kantong air panas atau botol berisi air panas, cara ini sangat efisien dalam pengobatan nyeri daerah abdomen. 2) Handuk panas, cara ini sangat berhasil untuk pengobatan otot yang sakit. Misal spasme (kejang) otot dan fase akut poliomyelitis (radang akut sumsum tulang belakang yang disebabkan oleh virus). 3) Turkis bath (mandi uap), memberi efek relaksasi otot. 4) Mud packs (lumpur panas), dapat mengkonduksi panas ke dalam jaringan serta dapat pula mencegah kehilangan panas tubuh. 5) Wax bath (parafin bath), sangat efisien untuk transfer panas pada tungkai bawah. 6) Elektric pads, dengan cara melingkari kawat elemen panas yang dibungkus asbes atau plastik dan dilengkapi thermostat. b. Metode Radiasi Metode ini digunakan untuk pemanasan permukaan tubuh serupa dengan pemanasan dengan sinar matahari atau nyala api. Sumber radiasi berasal dari elektrik fire dan infra merah. c. Metode Elektromagnetis Metode yang digunakan untuk transfer panas ke dalam jaringan tubuh: 1) Short wave diathermy (diatermi gelombang pendek) 2) Micro wave diathermy (diatermi gelombang mikro) Penggunaan kedua metode ini akan dibahas pada bab Biolistrik.
Thermodinamika 109
d. Gelombang Ultrasonik Transduser piezo elektrik diletakkan langsung pada jaringan yang akan diobati. Intensitas yang digunakan berkisar 5 watt/cm2. Penggunaan metode ini lebih efektif pada tulang belakang oleh karena tulang lebih banyak menyerap panas.
- oOo -
110 Fisika Kesehatan
BAB VI
STERILISASI A. Teknik Sterilisasi
S
terilisasi atau suci hama yaitu suatu proses pembunuhan segala bentuk kehidupan mikro organisme yang ada dalam sampel atau contoh, alat-alat atau lingkungan tertentu. Dalam bidang bakteriologi, kata sterilisasi sering dipakai untuk menggambarkan langkah yang diambil agar mencapai tujuan meniadakan atau membunuh semua bentuk kehidupan mikro organisme. Teknik sterilisasi pada dasarnya dapat ditempuh melalui dua cara: 1. Secara fisis 2. Secara kimia/chemical 1. Sterilisasi Secara Fisis a. Metode Radiasi Dalam mikro biologi, radiasi gelombang elektromagnetik yang banyak digunakan adalah radiasi sinar ultraviolet, sinar gamma atau sinar X dan sinar matahari. Sinar matahari banyak mengandung sinar ultraviolet, sehingga secara langsung dapat dipakai untuk proses sterilisasi. Sinar ultraviolet dapat diperoleh dengan menggunakan katoda panas (emisi termis) yaitu ke dalam katoda bertekanan rendah diisi dengan uap air raksa. Panjang gelombang yang dihasilkan dari proses ini biasanya dalam orde 2.500 s/d 2.600 Angstrom. Lampu merkuri yang banyak dipasang di jalan-jalan juga banyak mengandung sinar ultraviolet, namun sinar ultraviolet yang dihasilkan banyak diserap oleh tabung gelas 111
yang dilaluinya. Dalam proses sterilisasi hendaknya memperhatikan dosis ultraviolet. Sinar ultraviolet yang diserap oleh organisme yang hidup, khususnya oleh nukleotida maka elektron-elektron dari molekul sel hidup akan mendapatkan tambahan energi. Tambahan energi ini terkadang cukup kuat untuk mengganggu bahkan merusak ikatan intramolekuler, misalnya ikatan atom hydrogen dalam DNA. Perubahan intramolekuler ini menyebabkan kematian pada sel-sel tersebut. Beberapa plasma sangat peka terhadap sinar ultraviolet sehingga mudah menjadi rusak. Sinar gamma mempunyai tenaga yang lebih besar dari pada sinar ultraviolet dan merupakan radiasi pengion. Interaksi antara sinar gamma dengan bakteri biologis sangat tinggi sehingga mampu memukul electron pada kulit atom sehingga menghasilkan pasangan ion (pair production). Cairan sel baik intraselluler maupun ekstraselluler akan terionisasi sehingga menyebabkan kerusakan dan kematian pada mikro organisme tersebut. Sterilisasi dengan penyinaran sinar gamma berdaya tinggi dipergunakan untuk obyek-obyek yang tertutup plastik (stick untuk swab, jarum suntik). Untuk makanan maupun obat-obatan tidak boleh menggunakan sinar gamma untuk sterilisasi, karena akan menyebabkan terjadinya perubahan struktur kimia pada makanan maupun obat-obatan tersebut. b. Metode Pemanasan dengan Uap Air dan Pengaruh Tekanan (auto clave) Benda yang akan disuci hamakan diletakkan di atas lempengan saringan dan tidak langsung mengenai air di bawahnya. Pemanasan dilakukan hingga air mendidih (diperkirakan pada suhu 100 o C), pada tekanan 15 lb temperatur mencapai 121 o C. Organisme yang tidak berspora dapat dimatikan dalam tempo 10 menit saja. Banyak jenis spora dapat mati hanya dengan pemanasan 100oC selama 30 menit, tetapi ada beberapa jenis spora dapat bertahan pada temperatur ini selama beberapa jam. Sporaspora yang dapat bertahan 10 jam pada tempeatur 100oC dapat dimatikan hanya dalam waktu 30 menit apabila air yang mendidih ini ditambah dengan natrium carbonat (Na2 CO3). 112 Fisika Kesehatan
c. Metode Pemanasan Secara Kering Pemanasan kering ini kurang efektif apabila temperatur kurang tinggi. Untuk mencapai efektivitas diperlukan pemanasan mencapai temperatur antara 160oC s/d 180oC. Pada temperatur ini akan menyebabkan kerusakan pada sel-sel hidup dan jaringan. Hal ini desebabkan terjadinya auto oksidasi sehingga bekteri pathogen dapat terbakar. Pada sistem pemanasan kering terdapat udara, di mana udara merupakan penghantar panas yang buruk sehingga sterilisasi melalui pemanasan kering dapat memerlukan waktu cukup lama, rata-rata waktu yang diperlukan 45 menit. Pada temperatur 160oC memerlukan waktu 1 jam, sedangkan pada 180oC memerlukan waktu 30 menit. Pada metode pemanasan kering ini secara rutin dipergunakan untuk mensterilisasi alat-alat pipet, tabung reaksi, stick swab, jarum operasi, jarum suntik, syringe. Oleh karena temperatur tinggi sangat mempengaruhi ketajaman jarum atau gunting, maka hindarilah sterilisasi dengan metode panas kering terhadap jarum dan gunting. d. Metode Pemanasan Secara Intermittent/terputus-putus John Tyndall (1877) dari hasil penelitiannya menyatakan bahwa pada temperatur didih 100oC selama 1 jam tidak dapat membunuh semua mikro organisme, tetapi bila air dididihkan berulang-ulang sampai lima kali dan setiap air mendidih istirahat selama 1 menit akan sangat berhasil membunuh kuman. Hal ini disebabkan bahwa dengan pemanasan intermitten, lingkaran hidup pembentukan spora dapat diputuskan. e. Metode Incineration (pembakaran langsung) Alat-alat platina, khrome yang akan disteril dapat dilakukan melalui pembakaran secara langsung pada nyala lampu bunzen hingga mencapai merah padam. Hanya saja dalam proses pembakaran langsung ini alat-alat tersebut lama kelamaan menjadi rusak. Keuntungannya : mikroorganisme akan hancur semuanya. f. Metode Penyaringan (filtration) Metode penyaringan berbeda dengan metode pemanasan. Sterilisasi dengan metode pemanasan dapat membunuh mikroorganisme, tetapi mikroorganisme yang mati tetap berada
Sterilisasi 113
pada material tersebut, sedangkan sterilisasi dengan metode penyaringan mikroorganisme tetap hidup hanya dipisahkan dari material. Bahan filter/penyaringan adalah sejenis porselin yang berpori yang dibuat khusus dari masing-masing pabrik. Metode filtrasi ini hanya dipakai untuk sterilisasi larutan gula, cairan lain seperti serum atau sterilisasi hasil produksi mikroorganisme seperti enzyme dan exotoxin dan untuk memisahkan fitrable virus dari bekteri dan organisme lain. 2. Sterilisasi Secara Kimia Sterilisasi secara kimia tidak dibahas secara terperinci di sini, namun yang lazim digunakan adalah alkohol 96%, Aceton tab formalin, sulfur dioxida, dan chlorine. Materi yang akan disucihamakan dibersihkan terlebih dahulu kemudian direndam dalam alkohol atau acetone atau tab formalin selama kurang lebih 24 jam.
B. Pelaksanaan Sterilisasi Agar sterilisasi dapat dilaksanakan sesuai dengan tujuan yang diinginkan yaitu mikroorganisme dapat dibunuh dan peralatan tetap baik, perlu memperhatikan beberapa hal yaitu: Jenis atau macam peralatan yang akan disterilisasikan dan metode sterilisasai yang akan dipakai. 1. Sterilisasi terhadap Bahan Baku Logam dan Gelas Alat yang terbuat dari logam, sebelum disteril dicuci terlebih dahulu. Dianjurkan segera mencuci alat-alat begitu selesai memakainya agar kotoran yang melengket mudah dibersihkan. Alat-alat logam (jarum suntik, pinset, gunting, jarum operasi, scapel blede) maupun tabung reaksi, pipet, petridisk, mula-mula dibersihkan terlebih dahulu kemudian dibungkus dengan kain gaas. Setelah itu menggunakan metode pemanasan secara kering, suhu mencapai 160oC, jarak waktu mencapai 1-2 jam, kemudian didiamkan agar suhu turun perlahanlahan.
114 Fisika Kesehatan
2. Sterilisasi Terhadap Bahan Baku Kain dan Media Kultur Media kultur yang akan disterilisasi terlebih dahulu dibungkus dengan kertas agar setelah disteril dan dikeluarkan dari alat sterilisator tidak terkontaminasi dengan kuman lagi. Demikian pula kain doek, dibungkus dengan plastik terlebih dahulu sebelum melakukan sterilisasi. Metode sterilisasi yang digunakan adalah metode pemanasan uap air dan pengaruh tekanan (autoclave). 3. Sterilisasi Bahan Baku dari Karet dan Plastik Bahan karet misalnya sarung tangan apabila akan disterilkan sebaiknya tidak memakai metode pemanasan, karena hal ini dapat mengganggu elastisitas karet dan karet akan meleleh. Untuk mensterilkan bahan baku karet, mula-mula dibersihkan dari kotoran dengan memakai air bersih dan detergent kemudian dikeringkan. Setelah itu taburi talk dan disimpan dengan menggunakan tablet formalin.
- oOo -
Sterilisasi 115
116 Fisika Kesehatan
BAB VII
BIOLISTRIK
A. Pendahuluan
K
elistrikan merupakan sesuatu yang biasa digunakan dalam kehidupan sehari-hari dan biasanya kita tidak terlalu banyak memikirkan hal tersebut. Walaupun pemakaian praktis dari kelistrikan telah dikembangkan khususnya pada abad keduapuluh, penelitian dibidang kelistrikan mempunyai sejarah yang panjang. Pengamatan terhadap gaya tarik listrik dapat ditelusuri sampai pada zaman Yunanai kuno. Orang-orang Yunani kuno telah mengamati bahwa setelah batu amber digosok, batu tersebut akan menarik benda kecil seperti jerami atau bulu. Kata listrik berasal dari bahasa Yunani untuk amber yaitu electron. Selama periode hujan badai pada tahun 1786, Luigi Galvani menyentuh otot tungkai seekor katak dengan menggunakan suatu metal, dan teramati bahwa otot katak tersebut berkontraksi. Dari pengamatan tersebut, ia menyimpulkan bahwa aliran listrik akibat badai tersebut merambat melalui saraf si katak sehingga otot-ototnya berkontraksi. Sel saraf menghantarkan impuls dari satu bagian tubuh ke bagian tubuh yang lain. Namun dengan mekanisme yang jauh berbeda dengan hantaran aliran listrik pada suatu konduktor metal. Dalam rentang waktu yang cukup lama, kita mengetahui impuls dalam sistem saraf terdiri dari ionion yang mengalir sepanjang sel-sel saraf, analog dengan aliran elektron dalam suatu konduktor. Namun demikian, sifat-sifat listrik dari sel-sel saraf lebih lambat dan kekuatannya lebih rendah (konduksinya ada atau tidak sama sekali) dibandingkan konduksi pada metal.
117
Kelistrikan memegang peranan penting dalam bidang kedokteran. Ada dua aspek kelistrikan dan magnetis dalam bidang kedokteran, yaitu listrik dan magnet yang timbul dalam tubuh manusia, serta penggunaan listrik dan magnet pada permukaan tubuh manusia.
B. Hukum dalam Biolistrik Hukum-hukum yang mendasari biolistrik antara lain adalah Hukum Ohm dan Hukum Joule.
Hukum Ohm menyatakan bahwa: “Perbedaan potensial antara ujung konduktor berbanding langsung dengan arus yang melewati, dan berbanding terbalik dengan tahanan dari konduktor”. Secara matematis dapat dirumuskan dengan persamaan: R =
V I
(7.1)
R = hambatan (Ù ) I = kuat arus (Ampere) V = tegangan (Volt)
Hukum Joule menyatakan bahwa: “Arus listrik yang melewati konduktor dengan beda potensial (V), dalam waktu tertentu akan menimbulkan panas”. Secara matematis dapat dinyatakan dengan persamaan:
Q = V It Q = energi panas yang ditimbulkan (Joule) V = tegangan (volt) I = Arus (A) t = waktu lamanya arus mengalir (second)
118 Fisika Kesehatan
(7.2)
C. Kelistrikan dan Kemagnetan yang Timbul di Dalam Tubuh 1. Sistem Saraf dan Neuron Sistem Saraf Sistem saraf dibagi menjadi dua, yaitu: sistem saraf pusat dan sistem saraf otonom. Sistem Saraf Pusat: Terdiri dari otak, medulla spinalis dan saraf perifer. Saraf perifer ini adalah serat saraf yang mengirim informasi sensoris ke otak atau ke medulla spenalis, disebut saraf afferent. Sedangkan serat saraf yang menghantarkan informasi dari otak atau medulla spenalis ke otot dan kelenjar disebut saraf efferent. Sistem Saraf Otonom: Serat saraf ini mengatur organ dalam tubuh, misalnya jantung, usus dan kelenjar-kelenjar. Pengontrolan ini dilakukan secara tidak sadar. Neuron Struktur dasar dari sistem saraf disebut neuron/sel saraf . Suatu sel saraf ( n e u r o n ) merupakan bagian terkecil dalam suatu skema saraf dan berfungsi menerima, menginterpretasikan (memaknai) dan menghantarkan
Gambar 7.1 Diagram dari suatu struktur sel saraf
Biolistrik 119
aliran listrik/informasi. Sel saraf terdiri dari tubuh serta serabut yang menyerupai ranting. Serabutnya juga terdiri dari 2 macam, yaitu dendrit dan akson. Dendrit, bersama dengan tubuh sel berfungsi menerima informasi berupa rangsangan dan sensor penerima maupun dari sel saraf yang lainnya. Sedangakan akson berfungsi menghantarkan informasi ke bagian sel saraf lain. Jika rangsangan yang diterima oleh dendrite atau tubuh sel pada setiap waktu, intensitasnya berada pada ambang batas atau lebih, maka impuls saraf bereaksi serta menjalar sepanjang akson. Impuls ini akan mengalir sepanjang akson dari tubuh sel menuju cabang terminal. Akson, merupakan suatu salinan panjang yang tipis dan pada ujungnya terbungkus oleh suatu membran yang berisi cairan dengan nama aksoplasma (gambar 7.2). Sesampainya impuls saraf pada terminal, suatu substansi saraf penghantar dilepaskan dan akan menyampaikan impuls ke penerima di sel berikutnya.
× Gambar 7.2 Penampang bujur suatu akson
Penampang lintang yang kecil dari suatu akson dengan tahanan yang tinggi [R = ñL/A, R : hambatan ( Ù ), ñ : Konstanta kesebandingan/resistivitas (Ù .m), L : panjang akson (cm) dan A : luas penampang (cm2)], aksoplasmanya membentuk suatu hambatan yang tinggi. Secarik akson dengan panjang 1 cm memiliki tahanan listrik sekitar 2,5 108 Ù . Untuk memahami bagaimana impuls saraf dapat dihantar melalui medium tersebut, perlu dipahami suatu sel saraf sebelum memperoleh rangsangan, atau dengan kata lain berada dalam keadaan istirahat. Sel Saraf dalam Keadaan Istirahat Dalam suatu sel saraf maupun sel-sel hidup lainnya, membran sel mempertahankan kondisi intraseluler yang berbeda dengan 120 Fisika Kesehatan
lingkungan ekstra selulernya. Setiap sel saraf menghasilkan sedikit ion negatif tepat di dalam sel dan juga ion positif tepat di luar membran sel (Gambar 7.3)
Gambar 7.3 Distribusi tegangn listrik sepanjang membran sel saraf dalam kondisi istirahat
Telah diketahui bahwa sel mempunyai lapisan yang disebut membran sel, di dalam sel ini terdapat ion Na+, K+, Cl-, dan protein (A ). Perbedaan sifat elektron pada membran sel saraf adalah kunci dalam memahami hantaran impuls saraf. Konsentrasi ion Kalium (K+) di dalam cairan pada bagian dalam membran sel 30 kali lebih banyak daripada yang di luar, sedangkan konsentrasi ion Natrium (Na +) sepuluh kali lebih banyak dibagian luar membran sel dibandingkan dengan bagian dalam. Perlu dicermati bahwa semua anion (terutama klorida, Cl-) juga tidak terdistribusi sempurna. Seperti pada sel hidup yang lain, sel saraf menggunakan difusi pasif dan transportasi aktif untuk mempertahankan perbedaan ini melalui membran selnya. Ketidak sesuaian distribusi Na+ dan K+ sebenarnya dibentuk oleh kebutuhan energi pemompaan Na + -K + , yang memindahkan ion Na+ keluar dari sel dan K+ ke dalam sel. Juga adanya suatu protein dalam membran sel saraf sebagai suatu saluran potensial yang memudahkan Na+ dan K+ mengalir selama hantaran impuls saraf. Suatu sel saraf berada dalam keadaan istirahat, saluran Na+ yang bergantung pada tegangan tertutup sehingga menjadi ketidaksamaan distribusi Na+. Membran sel saraf yang berada dalam keadaan istirahat (tidak adanya proses konduksi impuls listrik), konsentrasi ion Na+ lebih banyak di luar sel dari pada di dalam sel, di dalam sel akan lebih
Biolistrik 121
negatif dibandingkan dengan di luar sel. Dalam keadaan istirahat, membran sel tidak permiabel terhadap anion yang besar (atau terhadap jenis muatan negatif besar lainnya, seperti protein) dengan demikian kelebihan muatan negatif terbentuk tepat di bagian dalam permukaan membran sel. Beda potensial (table 7.1) pada membran sel sekitar 70 mV; dan potensial listrik di luar sel adalah nol. Dengan demikian beda potensial di dalam membran sel -70 mV. Membran sel ini disebut dalam keadaan polarisasi. Ini adalah potensial sel saraf dalam keadaan istirahat. Tabel 7.1 Konsentrasi Ion di Dalam dan di Luar Sel Saraf Istirahat yang Umum
Susunan muatan pada setiap permukaan membran sel saraf menyerupai kapasitor bermuatan. Medan listrik di antara kapasitor pelat sejajar adalah seragam, sehingga kita dapat menghitung medan listrik pada membran sel yang memiliki ketebalan 7 nm: E =
− dv dL
(7.3)
− (−70× 10−3 V ) = 7,0 × 10−9 m = 1,0 × 107 V /m (kearah kanan) Dengan demikian gaya yang dihasilkan oleh medan ini terhadap ion positif menjadi: F = qE
122 Fisika Kesehatan
(7.4)
= (1Io,
= 1,6 Na+ K+ Cl Lainny
Gaya ini beraksi melawan perbedaan konsentrasi K+, walaupun menambah efek dari perbedaan konsentrasi Na+. Rangsangan Sel Saraf Potensial sel saraf dalam keadaan istirahat dapat diganggu oleh rangsangan listrik, kimia maupun fisis (mekanik), selanjutnya butirbutir membran akan berubah dan beberapa ion Na+ akan masuk dari luar sel ke dalam sel. Di dalam sel akan menjadi kurang negatif (lebih positif) dari pada di luar sel dan potensial membran akan meningkat. Keadaan membran ini disebut dalam keadaan depolarisasi. Gangguan ini mungkin hanya sedikit mempengaruhi potensial membran pada titik rangsangan. Pada kasus ini, potensial membran dengan cepat kembali pada nilai istirahatnya yaitu -70 mV. Efek dari nilai ambang rangsangan ini, dinyatakan s1 seperti diperlihatkan oleh gambar 7.4.
Gambar 7.4 Aksi potensial, s1 adalah rangsangan di bawah nilai ambang s2 rangsangan ambang.
Jika rangsangan ini cukup kuat hingga menyebabkan depolarisasi dari potensial istirahat, -90 mV menjadi sekitar -50 mV. Saluran membran karena adanya perubahan potensial akan terbuka. Karena ada gradien konsentrasi dan gradien listrik, ion Na+ mengalir memasuki sel dalam waktu yang cepat dan jumlah yang banyak serta menimbulkan arus listrik ( I = ∆q /∆t). Fluks Na+ pada bagian dalam membran menghasilkan perubahan polaritas membran dan menyebabkan perubahan potensial listrik sebesar +40 mV. Efek dari rangsangan ambang yang dinyatakan s2, diperlihatkan pada gambar 7.4.
Biolistrik 123
Jika efek dari konsentrasi Na+ (luar > dalam) menjadi seimbang oleh karena gradien listrik (potensial membrannya menjadi positif di bagian dalam), depolarisasi berahir pada tempat rangsangan semula. Saluran Na+ kemudian menutup kembali. Saluran K+ merespon perubahan polaritas membran secepatnya setelah pembukaan Na+ dengan mengirimkan K+ keluar dan Na+ ke dalam. Gerakan ion K+ dan lambatnya pemompaan Na+-K+ segera memperbaiki gradien konsentrasi dan gradien listrik seperti pada keadaan istirahat (lihat repolarisasi gambar 7.4) Setelah depolarisasi, saluran Na+ tetap tertutup untuk waktu yang cukup singkat (beberapa milisekon) sampai membran sel saraf tidak dapat dirangsang lagi. Periode ini dinamakan dengan periode pemulihan. Perubahan transien pada potensial listrik di antara membran dinyatakan sebagai potensial aksi. Potensial aksi merupakan fenomena keseluruhan yang berarti bahwa begitu nilai ambang tercapai, peningkatan waktu dan amplitudo dari potensial aksi akan selalu sama, tidak perduli macam apapun intensitas dari rangsangan. Segera setelah potensial aksi mencapai puncak mekanisme pengangkutan di dalam sel membran dengan cepat mengembalikan ion Na+ ke luar sel sehingga mencapai potensial membran istirahat. Untuk mengukur potensial aksi secara baik dipergunakan elektroda. Kegunaan dari elektroda adalah untuk memindahkan transmisi ion ke penyalur elektron. Bahan yang dipakai sebagai elektroda adalah perak dan tembaga. Apabila sebuah elektroda tembaga dan sebuah elektroda perak dicelupkan ke dalam larutan elektrolit seimbang cairan badan/tubuh maka akan terjadi perbedaan potensial antara kedua elektroda itu. Perbedaan potensial ini kirakira sama dengan perbedaaan antara potensial kontak kedua logam tersebut, dinamakan potensial offset elektroda. Apabila sebuah elektroda tembaga dan elektroda perak ditempatkan dalam bak berisi elektrolit akan terdapat perbedaan potensial sebesar 0,80 - 0,34 = 0,46 V. Perbedaan potensial sebesar 0,46 dapat dijumpai bila kedua tangan penderita disambung melalui elektroda tembaga dan elektroda perak pada jalan masuk instrumen yang dipakai untuk pengukuran. Namun dalam praktik perbedaan potensial offset elektroda harus dibuat sekecil mungkin/mendekati nol, akan tetapi selalu tidak mungkin dan akan 124 Fisika Kesehatan
terjadi penurunan tegangan secara perlahan-lahan (drift). Untuk mendapatkan potensial offset elektroda sekecil mungkin, elektroda tidak disambung dalam amplifier tegangan searah melainkan dilapisi pasta/jelly. Dalam pemilihan bahan sebagai elektroda sangat penting, diutamakan baham elektroda yang dapat disterilkan (oleh karena pemakaian terus menerus terhadap berbagai penderita) dan tidak mengandung racun. Untuk itu pilihan utama adalah perak (Ag) dan ditutupi lapisan tipis perak (AgCl). Beberapa jenis elektroda adalah elektroda jarum berfungsi mengukur aktivitas motor unit tunggal, elektroda mikropipet untuk mengukur potensial biolistrik dekat/di dalam sebuah sel, dan elektroda permukaan kulit untuk mengukur potensial listrik permukaan tubuh EKG, EEG dan EMG. Perambatan Impuls Saraf Paragraf-paragraf sebelumnya menggambarkan suatu pulsa listrik tunggal pada titik rangsangan. Pertanyaan selanjutnya adalah bagaimanakah impuls ini bergerak melalui akson? Depolarisasi lokal pada titik mula rangsangan menyebabkan gerakandifusi pasif-ion yang berada pada daerah rangsangan (gambar 7.5).
Gambar 7.5 Perambatan suatu potensial aksi
Karena adanya potensial aksi, sebagian kecil membran mengalami depolarisasi akibat adanya aliran ion dalam membran. Saat proses depolarisasi ini mencapai batas ambang, potensial aksi dihasilkan kembali pada bagian akson tersebut. Gambar 7.5 tidak
Biolistrik 125
menunjukkan aliran ion ke arah kiri, hal ini terjadi karena adanya periode pemulihan, serta tidak memicu terjadinya potensial aksi. Potensial membran pada daerah tersebut mencapai nilai ambang -50 mV. Dengan demikian permeabilitasnya terhadap Na+ menjadi meningkat secara tiba-tiba dan potensial aksi +40 mV merambat menyerupai gelombang sepanjang sel saraf (lihat gambar 7.5). Karena adanya periode pemulihan, yaitu selama sebagian membran mengalami depolarisasi dan tidak dapat dirangsang lagi. Impuls saraf hanya dapat merambat pada satu arah tertentu saja, menjauhi tubuh sel saraf. Impuls akan terus bergerak hingga mencapai terminal, dan menyebabkan dilepaskannya neurotransmitter dari membran sel saraf. Neurotransmitter yang dihasilkan menjembatani rentang antar sel saraf, sehingga seluruh proses dapat terulang.
Gambar 7.6 Sejumlah akson diselimuti oleh sejumlah lapisan myelin yang terbentuk ketika sel-sel Schwann membungkus akson
126 Fisika Kesehatan
Perlu diperhatikan bahwa selama proses penghantaran impuls saraf aliran listrik mengalir ke dalam dan ke luar melalui membran serta tegak lurus terhadap arah perambatan impuls. Lebih jauh lagi, seberapa jauh pun akson, impuls tidak pernah memerlukan
penguatan, impuls akan terus merambat dengan kekuatan yang sama dari rangsangan awal. Sebagian akson diselimuti oleh sejumlah lapisan myelin. Lapisan ini terbentuk ketika sel-sel Schwann membungkus akson (gambar 7.6). Ruang antara lapisan myelin selebar 1 m disebut “Ranvier Node” dan terbentuk pada setiap interval 1 sampai 2 mm sepanjang akson. Perambatan impuls melalui akson yang diselimuti lapisan myelin sedikit berbeda dengan perambatan melalui akson tanpa myelin.
µ
Lapisan myelin merupakan suatu insulator yang baik, sehingga ion tidak dapat mengalir menembus lapisan tersebut. Aktivitas listrik pada sel saraf yang dilapisi myelin hanya terbatas pada Gambar 7.7 Potensial aksi node Ranvier, karena adanya konsentrasi yang cukup besar dari saluran ion yang bergantung pada tegangan. Potensial aksi hanya dapat dihasilkan pada node Ranvier dan meloncat dengan cepat sepanjang akson (gambar 7.7) oleh karena difusi ion-ion melalui aksoplasma dan cairan ekstraselular. Kecepatan rambat pada akson saraf dengan lapisan myelin adalah 12 m/s. Kecepatan rambat ini juga bergantung pada hambatan dari aksoplasma dan kapasitas membran. Karena hambatan berbanding terbalik dengan penampang lintang suatu kawat, sehingga akson dengan diameter yang lebih besar memiliki hambatan yang lebih kecil serta cepat rambat yang tinggi. Akson dengan lapisan myelin memiliki kapasitansi yang lebih rendah dibandingkan akson tanpa lapisan myelin. Semakin rendah kapasitansi membran, semakin kecil muatannya, dan waktu depolarisasinya semakin singkat, kedua hal ini menjelaskan mengapa kecepatan rambat pada akson dengan lapisan myelin begitu tinggi. Pengamatan mengenai cepat rambat pada
Biolistrik 127
berbagai macam variasi sel saraf telah menunjukkan bahwa terdapat korelasi antara hambatan dan kapasitansinya. Mekanisme perambatan impuls listrik dalam suatu sel saraf sangat berbeda dengan konduksi listrik dalam logam, namun demikian konsep-konsep fisika dapat dijadikan dasar dalam memahami proses tersebut.
D. Kelistrikan Otot Jantung Sel membran otot jantung (miokardium) sangat berbeda dengan saraf dan otot bergaris. Pada saraf maupun otot bergaris dalam keadaan potensial membran istirahat dilakukan rangsangan maka ion-ion Na+ akan masuk ke dalam sel dan setelah tercapai nilai ambang akan timbul depolarisasi. Sedangkan pada sel otot jantung, ion Na+ mudah bocor, sehingga setelah terjadi repolarisasi komplit, ion Na+ perlahan-lahan akan masuk kembali ke dalam sel dengan akibat terjadi gejala depolarisasi secara spontan sampai mencapai nilai ambang dan terjadi potensial aksi tanpa memerlukan rangsangan dari luar.
Gambar 7.8 Depolarisasi spontan pada myocardium
Dari keterangan di atas diketahui membran sel otot jantung tanpa rangsangan dari luar akan mencapai nilai ambang dan menghasilkan potensial aksi pada suatu rate/kecepatan yang teratur. Rate/kecepatan ini disebut Natural Rate/kecepatan dasar membran sel otot jantung. 128 Fisika Kesehatan
Untuk menentukan natural rate dari berbagai sel otot jantung yaitu waktu antara terhitung mulai depolarisasi spontan sampai mencapai nilai ambang setelah terjadinya repolarisasi. Interval waktu ini bisa bervariasi oleh karena perubahan dalam hal: 1. Potensial membran istirahat 2. Tingkat dari nilai ambang 3. Slope dari depolarisasi spontan terhadap nilai ambang.
Gambar 7.9 Variasi potensial membran istirahat
Perubahan ketiga parameter ini sangat mempengaruhi mekanisme kontrol fisiologis terhadap frekuensi jantung. Jika daerah sekitar miokardium belum mencapai nilai ambang sedangkan bagian lain telah menghasilkan potensial aksi, bagian ini akan dengan segera menyebabkan bagian lain mencapi nilai ambang dan menghasilkan potensial aksi, demikian seterusnya sehingga menghasilkan gelombang depolarisasi untuk seluruh otot miokardium. Pada miokardium ada sekumpulan sel utama yang secara spontan menghasilkan potensial aksi yang merupakan sumber gelombang depolarisasi, yang akan dengan cepat mendepolarisasi sel otot miokardium yang sedang mengalami istirahat, sekumpulan sel utama tersebut disebut Pace Maker /perintis jantung dan Natural rate nya sangat menentukan frekuensi jantung.
Biolistrik 129
1. Aktivitas Kelistrikan Otot Jantung Sel membran otot jantung serupa dengan sel membran otot bergaris, yaitu mempunyai kemampuan menuntun suatu perambatan potensial aksi/gelombang depolarisasi. Depolarisasi sel membran otot jantung (miokardium) oleh perambatan potensial aksi dengan menghasilkan kontraksi otot.Tetapi ada 3 hal penting perbedaan antara sel otot jantung dengan sel otot bergaris, yaitu sel otot jantung mempunyai : a. High speed conductive pathways (konduksi berjalan dengan kecepatan tinggi), merupakan keistimewaan pada otot jantung di mana konduksi gelombang depolarisasi berlangsung secara cepat. Sedangkan pada otot bergaris perjalanan gelombang depolarisasi secara seragam meliputi seluruh bagian dari struktur otot. b. Long refractory period (periode refrakter yang panjang), lamanya repolarisasi dan periode refrakter pada otot jantung (miokardium) 100 kali lebih lama dari pada otot bergaris. c. Automatisasi (otomatisasi), tidak menghendaki rangsangan dari luar unutk mencapai nilai ambang, melainkan mempunyai kemampuan sendiri yaitu depolarisasi spontan tanpa rangsangan dari luar. Sedangkan pada otot bergaris memerlukan rangsangan dari luar. Secara normal, mula-mula SA node (simpul sinoatrial) mengalami gelombang depolarisasi ke atrium kiri dari atrium kanan dalam tempo 70 detik dan terjadi kontraksi atrium.
Gambar 7.10. Depolarisasi atrium
130 Fisika Kesehatan
Gelombang depolarisasi diteruskan ke AV node (Antrio ventricular node) sehingga AV node mengalami depolarisasi.
Gambar 7.11 Antrio ventricular node depolarisasi
Gelombang dari AV node dilanjutkan melalui “bundle of his” (berkas hias) dan diteruskan ke cabang bundle (berkas cabang) sehingga cabang bundle mengalami depolarisasi.
Gambar 7.12 Berkas hias dan berkas cabang mengalami depolarisasi. Dari cabang bundle impuls tersebut diteruskan ke jaringan purkinye. Dari jaringan purkinye gelombang depolarisasi diteruskan ke endokardium dan berakhir pada epikardium, sehingga terjadi kontraksi otot jantung.
Biolistrik 131
Gambar 7.13 Depolarisasi miokardium Setelah repolarisasi, miokardium mengalami relaksasi. Pada waktu repolarisasi tampak proses epikardium ke endokardium ventrikel, sedangkan pada proses depolarisasi tampak dari endokardium ke epikardium.
Gambar 7.14 Repolarisasi miokardium
Kalau diukur, potensial listrik miokardium maka akan terlihat pada gambar 7.15.
132 Fisika Kesehatan
Gambar 7.15 Periode refrakter otot jantung
2. Fibrilasi Aktivitas irama jantung terletak pada permukaan jantung dekat muara vena cava superior, yaitu pada puncak atrium kanan. Kumpulan sel-sel ini disebut NA node yang bertindak sebagai pace maker. Melalui pace maker ini aktivitas otot jantung secara sinkron memompa darah ke sirkulasi paru-paru dan ke sirkulasi darah sistemik (ke seluruh tubuh). Suatu kadaan di mana terjadi kehilangan sinkronisasi dikenal sebagai fibrilasi. Fibrilasi dapat terjadi pada atrium (fibrilasi atrium) maupun pada ventrikel (fibrilasi ventrikel). Pada keadaan fibrilasi atrium, ventrikel masih berfungsi secara normal, tetapi jawaban dengan suatu irama yang ireguler terhadap rangsangan listrik yang tidak sinkron dari fibrilasi atrium. Banyak darah akan masuk ke dalam ventrikel sebelum terjadi kontraksi atrium dan berlangsung selama kontraksi ventrikel. Pada fibrilasi ventrikel merupakan suatu keadaan yang sangat gawat, di mana ventrikel tidak mampu memompa darah dan apabila tidak dilakukan koreksi, dalam beberapa menit saja akan diakhiri dengan kematian.
Biolistrik 133
E. Isyarat Magnet Jantung dan Otak Mengalirnya aliran listrik akan menimbulkan medan magnet. Medan magnet sekitar jantung disebabkan adanya arus listrik jantung yang mengalami depolarisasi dan repolarisasi. Pencatatan medan magnet jantung disebut magnetokardiogram. Besar medan magnet sekitar jantung adalah sekitar 5 10-11 Tesla atau sekitar 10 × 108 medan magnet bumi. Hubungan Tesla (T) dengan Gauss dapat dinyatakan: 1 T = 104 Gauss. Untuk menghitung medan magnet dari suatu besaran benda diperlukan suatu ruang yang terlindung magnet dan sangat peka terhadap detector medan maganet (magnetometer). Detektor yang digunakan yaitu SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) yang bekerja pada suhu 5oK, dan dapat mendeteksi medan magnet yang disebabkan arus searah (DC) atau arus bolak-balik (AC). SQUID ini sangat peka sekali, dapat mendeteksi medan magnet yang disebabkan seseorang berjalan dengan mempergunakan magnet sepatu kuda sejauh 400 meter (0,25 mil). 1. Magnetokardiografi (MKG) MKG adalah pencatatan medan magnet di sekeliling jantung dengan mempergunakan arus searah (DC). Penderita ditempatkan dalam ruang octagonal yang terdiri dari 5 lapisan pelindung magnet. Segala materi bermagnet disingkirkan dari subjek yang akan diperiksa. Kemudian magnetodetektor probe didekatkan pada tubuh/jantung. Perekaman hanya berlangsung dalam waktu kurang dari 1 menit. MKG memberikan informasi jantung tanpa mempergunakan elektroda yang didekatkan/ditempelkan pada badan. Pencatatan dilakukan di daerah badan dengan jarak 5 cm. Lokasi perekaman diberi kode B, D, F, H, J, L (vertikal). Horisontal dilakukan perekaman 5-6 kali dibubuhi huruf I dan ditandai dengan angka ganjil (2, 3, 5, 7, 9). Untuk jelasnya lihat gambar 7.16 berikut ini.
134 Fisika Kesehatan
×
Gambar 7.16 Hasil rekaman penderita 20 tahun, tinggi 5 ft.
Perekaman MKG dapat memberi informasi yang berguna dalam diagnosis apabila dikerjakan pada waktu jantung mengalami serangan oleh karena pada saai ini digunakan arus listrik. 2. Magnetoensefalogram (MEG) MEG adala pencatatan medan magnet sekeliling otak dengan mempergunakan arus searah. Alat yang digunakan adalah SQUID magnetometer. Pada rithme alpha, medan magnet otak berkisar 1351 × 10-13 T.
Biolistrik 135
F. Penggunaan Listrik dan Magnet pada Permukaan Tubuh Seiring dengan perkembangan kelistrikan, telah diciptakan peralatan yang mempergunakan energi listrik untuk terapi pengobatan. Pada tahun 1890 Jacques A.D. Arsonval telah menggunakan listrik berfrekuensi rendah untuk menimbulkan efek panas. Tahun 1929 telah menggunakn listrik dengan frekuensi 30 MHz untuk pemanasan yang disebut short wave diathermy. Pada tahun 1950 telah deperkenalkan penggunaan gelombang mikro dengan frekuensi 2.450 MHz untuk keperluan diatermi dan pemakaian radar. 1. Penggunaan Arus Listrik Berfrekuensi Rendah Listrik berfrekuensi rendah mempunyai batas frekuensi antara 20 Hz sampai dengan 500.000 Hz. Frekuensi rendah ini mempunyai efek merangsang saraf dan otot sehingga terjadi kontraksi otot. Arus listrik berfrekuensi rendah dapat dihasilkan oleh alat listrik yaitu : stimulator yang rangkaiannya terdiri multivibrator maupun astable multivribator. Selain frekuensi, perlu juga diperhatikan pengulangan dalam pemakaian dan bentuk gelombang arus listrik yang dipakai. Untuk pemakaian jangka waktu sangat singkat dan bersifat merangsang persarafan otot, maka dipakai gelombang arus faradik. Sedangkan untuk pemakaian dalam jangka waktu lama dan bertujuan merangsang otot yang telah kehilangan persarafan maka dipakai arus listrik yang interuptur/terputus-putus atau arus DC (arus searah) yang telah dimodifikasi. Selain arus DC, dapat pula menggunakan arus AC dengan frekuensi 50 HZ, yang mempunyai kemampuan merangsang saraf sensoris, saraf motoris dan berefek kontraksi otot. 2. Penggunaan Arus Listrik Berfrekuensi Tinggi Arus listrik berfrekuensi tinggi mempunyai frekuensi di atas 500.000 Hz, dihasilkan oleh sirkuit osilator yang mengandung rangkaian kondensator dan inductor, yaitu rangkaian L-C. Listrik berfrekuensi tinggi tidak mempunyai sifat merangsang saraf motoris maupun saraf sensoris, kecuali dilakukan ransangan dengan pengulangan yang lama. Frekuensi tinggi ini mempunyai sifat memanaskan sehingga dapat digunakan untuk diatermi yang dapat dibagi menjadi dua tipe: 136 Fisika Kesehatan
a. Short wave diathermy (diatermi gelombang pendek) Pada diatermi ini terdapat dua metode yang digunakan untuk memperoleh gelombang elektromagnetis agar masuk ke dalam badan, yaitu : 1) Metode capacitance (metode kondensor), dengan cara elektroda diletakkan pada msing-masing sisi yang akan diobati dan dipisahkan dari kulit dengan bahan isolator. Apabila kedua elektroda dialiri arus listrik, maka akan tercipta medan listrik di antara kedua elektroda tersebut. Substansi yang ada di dalam medan magnet akan bervibrasi, elektrolit mengalami dipole dan timbul panas sebesar Q = VIt / 0,24 kalori (persamaan 7.2,Hk. Joule). Yang perlu diperhatikan adalah bahwa ukuran elektroda harus lebih besar dari pada struktur yang diobati dan jarak penempatan elektroda harus sama terhadap kulit. 2) Metode Induksi (metode kabel), pada metode ini dapat menimbulkan efek medan listrik dan medan magnet secara bersamaan. Metode ini dilakukan dengan cara melilitkan kabel pada daerah yang akan diobati, misal daerah abdomen (perut).
Gambar 7.17 Kabel dililitkan pada daerah yang akan diobati
Lilitan bisa berupa heliks tunggal (gambar 7.18a), double heliks maupun grid (gambar 7.18b dan 7.18c)
Gambar 7.18a Heliks tunggal
Biolistrik 137
Gambar 7.18b Double heliks
Gambar 7.18c Grid
Efek diatermi gelombang pendek adalah: Menghasilkan panas dan peningkatkan efek fisiologis sebagai akibat dari peningkatan temperatur, yaitu : 1. Meningkatkan metabolisme, perubahan struktur kimia yang disebabkan kenaikan temperature (Hk. Vant Hoff) 2. Suplai darah meningkat, sebagai akibat dari meningkatnya metabolisme. 3. Efek pada saraf, mengurangi eksitasi saraf apabila kurang begitu panas. 4. Dengan meningkatnya temperature mengurangi relaksasi otot dan meningkatkan efisiensi usaha otot. Otot akan berkontraksi dan relaksasi semakin meningkat. 5. Oleh karena pemanasan maka terjadi koagulasi, sehingga terjadi destruksi jaringan. 6. Penurunan tekanan darah yang disebabkan oleh pelebaran pembuluh darah. 7. Meningkatkan aktivitas kelenjar keringat. Mempunyai efek terapeutik (pengobatan) 1. Terhadap daerah peradangan, dimana akan terjadi pelebaran pembuluh darah sehingga dapat meningkatkan oksigen dan pengangkutan makanan untuk sel-sel. 2. Efek terhadap infeksi bakteri, terjadi peningkatan konsentrasi sel darah putih dan antibodi pada daerah infeksi. 3. Menghilangkan rasa sakit, panas menyebabkan saraf sensoris mengalami sedaktif. 138 Fisika Kesehatan
b. Micro wave diathermy (diatermi gelombang mikro) Gelombang mikro adalah gelombang dengan panjang gelombang 1 cm sampai 1 meter. Untuk diatermi sering digunakan panjang gelombang 12,25 cm dengan frekuensi 2.450 MHz atau panjang gelombang 69 cm dengan frekuensi 433,92 MHz. Efek yang ditimbulkan tergantung jumlah energi radiasi yang diserap. Besar absorbsi dapat dinyatakan dalam rumus eksponensial: (7.5) I x I0 d e
I = I0e− x/d
: Intensitas radiasi yang diserap (I=37% dari I0) (W/m2) : kedalaman radiasi dalam jaringan (m) : intensitas radiasi pada permukaan kulit (W/m2) : tebal jaringan (m) : koefisien absorbsi.
Efek yang ditimbulkan adalah efek fisiologis dan efek pengobatan. Efek fisiologis: menimbulkan panas pada jaringanjaringan yang banyak mengandung air, banyak pula mendeposit energi, pada otot lebih banyak menyerap energi gelombang mikro dari pada jaringan lemak. Efek pengobatan: dapat mengobati penderita yang mengalami ruda paksa (trauma) dan peradangan dan dapat pula mengobati penderita nyeri dan spasme otot, bisul dan rematik. Meskipun penetrasi gelombang mikro lebih dalam daripada penetrasi sinar infra merah, tetapi tidak dapat melewati jaringan yang padat sebagaimana dilakukan oleh diatermi gelombang pendek. Gelombang mikro kurang berhasil mengobati struktur yang dalam dibandingkan dengan diatermi gelombang pendek. Gelombang mikro tidak dapat dipakai pada penderita gangguan sirkulasi, karena dapat menimbulkan perdarahan, trombosis dan flebitis. Pada penderita TBC dan tumor ganas tidak diperkenankan pengobatan dengan gelombang mikro.
Biolistrik 139
G. Syok Listrik (Kejutan Listrik) Syok listrik atau kejutan listrik adalah suatu nyeri pada saraf sensoris yang diakibatkan aliran listrik yang mengalir secara tiba-tiba melalui tubuh. Permulaan tahun 1969 telah dilaporkan bahwa beberapa penderita yang sedang menjalani kateterisasi atau pemasangan pace maker led dapat terbunuh dengan aliran listrik di bawah normal. Pada tahun 1970 Carl Walter dan tahun 1971 Ralph Nader telah memperkirakan atas meninggalnya 1.200 orang Amerika setiap tahunnya yang diakibatkan arus listrik pada waktu melakukan diagnostik dan pengobatan. Bahaya syok listrik sangat besar, tubuh penderita akan mengalami ventricular fibrillation (fibrilasi ventrikel) yang kemudian diikuti dengan kematian. Oleh karena itu perlu diketahui perubahan-perubahan yang timbul akibat syok listrik dan metode pengamanan sehingga bahaya syok dapat dihindari. Dalam bidang kedokteran, syok listrik dibagi menjadi dua: syok dengan tujuan tertentu dan syok tanpa tujuan. Syok dengan tujuan tertentu dilakukan atas indikasi medis. Dalam bidang psikiatri dikenal dengan nama electric syok/electro convultion therapy. Beberapa penderita psikosis (gangguan jiwa) sengaja dilakukan syok dengan tujuan terapi di mana di antara temporalis kanan dan kiri penderita dialiri arus listrik dalam orde 0,5 sampai 1,5 Amper dengan tegangan sebesar 80 sampai 110 volt dalam waktu 1/10 sampai 1,5 detik. Syok tanpa tujuan tertentu timbul karena suatu kecelakaan, dikenal dengan Earth syok. Syok ini terjadi apabila salah satu tubuh menyentuh kawat fasa sedangkan bagian tubuh lain menyentuh kawat netral. Berdasarkan besar kecilnya tegangan, earth syok dapat dibagi menjadi dua : low tension shock dan high tension shock. 1. Low tension shock (syok tegangan rendah), terjadi berkaitan dengan pemakaian generator yang menghasilkan arus listrik dengan tegangan rendah atau berkaitan dengan pemakaian lampu panas radient atau lampu sinar ultra ungu. 2. High tension shock (syok tegangan tinggi), terjadi berkaitan dengan pamakaian generator tegangan tinggi, generator gelombang pendek atau step up transformator. Penderita yang mengalami syok, kulit badannya akan mengelupas seluruhnya. 140 Fisika Kesehatan
Pada beberapa buku fisika membagi earth syok menjadi mikro syok dan makro syok. 1. Mikro syok, terjadi karena adanya aliran listrik langsung mengikuti arteri ke jantung. Hal ini dapat terjadi ketika penggunaan kateter untuk pencatatan EKG, liquid filled catteter untuk menyuntikkan pewarnaan bagi radiografi atau mengukur tekanan darah jantung (internal blood pressure) dan pemasangan elektroda-elektroda pada alat pacu jantung. Oleh karena beberapa keteter terbuat dari kawat dan cairan bersifat konduktor listrik, sehingga arus listrik dalam orde mikro ampere saja telah dapat menyebabkan mikro syok. Diduga arus listrik sekitar 20 mA dapat menyebabkan fibrilasi ventrikel. Apabila ada kebocoran arus pada alat yang sedang bekerja, arus tidak dapat mengalir secara langsung ke bumi tetapi akan melewati alat pacu jantung yang dipasang pada tubuh penderita kemudian ke bumi. Pada mikro syok akan terjadi dengan fibrilasi ventrikel yang kemudian diikuti dengan kematian. 2. Makro syok, terjadi apabila salah satu elektroda menyentuh tangan sedangkan elektroda lain menyentuh kulit bagain lain sehingga terjadi aliran listrik melalaui permukaan tubuh (kulit) dan timbullah makro syok. Tahanan kulit berkisar 1 KÙ sampai dengan 1 MÙ tidak mampu membendung aliran listrik. Apabila di tempat kontak elektroda diberikan pasta, pada waktu melakukan tes EKG dapat menurunkan tahanan dan memudahkan arus listrik yang mengalir, sehingga dapat menimbulkan makro syok. Makro syok kebanyakan mengenai petugas dari pada penderita sendiri oleh karena kecerobohan petugas. Parameter-parameter yang Mempengaruhi Syok Listrik Syok semakin serius apabila arus yang melewati tubuh semakin besar. Menurut hukum Ohm, intensitas arus listrik tergantung kepada tegangan dan tahanan yang ada, I = V /R . Parameter-parameter lain juga berperan mempengarui tingkat syok, yaitu: Dari sudut arus: 1. Seseorang akan menderita syok lebih serius pada tegangan 220 Volt daripada tegangan 80 Volt, oleh karena kuat arus pada tegangan 220 Volt lebih besar daripada tegangan 80 Volt dengan nilai R yang sama.
Biolistrik 141
2. Basah tidaknya kulit penderita, kulit penderita yang berkeringat/basah tahanannya lebih kecil sehingga memudahkan arus listrik melewati kulit penderita. 3. Basah tidaknya lantai, lantai yang basah merupakan konduktor yang baik sehingga lebih besar arus yang melewati tubuh ke ground. 1.
2.
3.
4.
5.
Dari sudut parameter-parameter yang lain: Jenis kelamin, pada tahun 1973 Dalziel melakukan penelitian tentang nilai ambang persepsi (arus minimum yang dapat dideteksi) dan letgo current (arus yang dapat menyebabkan tarikan tangan kembali) yang ditunjukkan dengan distribusi Gausian menyatakan : a. Rata-rata threshold of perception untuk laki-laki : 1,1 mA. Untuk wanita 0,7 mA. Minimum nilai ambang persepsi adalah 500mA. b. Rata-rata let go curren untuk laki-laki : 16 mA, untuk wanita : 10,5 mA. Minimum let go current untuk laki-laki 9,5 mA, untuk wanita 6 mA. Fekuensi AC, dari hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Dalziel ternyata frekuensi 50-60 Hz merupakan minimum let go current. Di bawah 10 Hz let go current akan meningkat dan otot-otot akan mengalami relaksasi sebagian dan di atas beberapa ratus Hz, let go current akan meningkat pula, dan otot-otot mengalami strength duration trade off serta refrakter jaringan yang telah mengalami eksitasi. Duration, LA Gaddes dari Insitute of Electrical and Elektronics (1973) melakukan penelitian terhadap binatang anjing, diketahui bahwa nilai ambang fibrilasi akan meningkat bila waktu semakin kecil. Berat badan, dari hasil penelitian terhadap binatang oleh Ferris (1936), Kiselev (1963) menunjukkan nilai ambang fibrilasi akan meningkat dengan meningkatnya berat badan. Hal ini diramalkan berlaku pula bagi manusia. Jalan yang ditempuh arus, apabila jalan yang ditempuh arus melewati jantung atau otak akan timbul bahaya syok semakin serius.
Pengaruh Syok Listrik terhadap Tubuh Pada mikro syok tidak diperlukan arus yang besar, dalam skala mikro Amper saja dapat menyebabkan fibrilasi ventrikel. Hal ini kemungkinan disebabkan karena tahanan dalam tubuh sangat kecil. Ditambah pula adanya kateter merupakan konduktor yang baik bagi arus listrik, maka 142 Fisika Kesehatan
apabila ada arus listrik yang melewati kulit kemudian masuk ke dalam jaringan tubuh akan terlihat jelas perubahan/pengaruh terhadap organ tubuh (makro syok). Besar arus berhubungan dengan tegangan dan tahanan kulit serta perubahan yang diakibatkan arus AC pada 60 Hz. Pada arus 1 mA penderita hanya merasakan geli, ini merupakan nilai ambang persepsi bagi pria dewasa (50%), untuk wanita kurang lebih 1/3 dari 1 mA. Apabila arus listrik sampai 8 mA akan terjadi sensasi syok, di mana kontraksi otot masih baik dan nyeri-nyeri belum terjadi. Arus listrik diperbesar sekitar 8-15 mA terjadi rangsangan saraf dan otot sedemikian rupa sehingga terjadi nyeri dan letih. Ini dikenal dengan syok tersiksa, penderita saat ini sukar/tidak dapat menarik tangan kembali dan terjadi kontraksi otot tak sadar yang menetap. Dalziel (1973) melakukan observasi pada penderita dengan arus 18-22 mA akan terjadi pernafasan tertahan apabila aliran arus terus berlangsung. Arus antara 20-50 mA otot-otot mengalami kontraksi sangat kuat dan pernafasan sangat sulit. Peningkatan arus mendekati 100 mA, bagian arus yang melewati jantung cukup untuk menyebabkan fibrilasi ventrikel (nilai ambang fibrilasi rata-rata 70-400 mA) dan akan mengalami kamatian apabila tidak dilakukan koreksi. Arus listrik cukup tinggi 1-6 Ampere akan terjadi kontraksi miocard yang menetap dan menyebabkan terjadinya paralyse/kelumpuhan pernafasan dan apabila arus listrik dihentikan secara tiba-tiba akan terjadi defibrilasi ventrikel. Arus listrik 10 Ampere dengan short duration/ waktu sekejap akan menyebabkan kebakaran pada kulit, otak dan jaringan saraf akan kehilangan fungsi eksistansi/eksitasi/kejutan apabila ada arus yang melewatinya. Pertolongan terhadap Syok Listrik Apa bila terjadi syok listrik, AC switching segera dimatikan dan semua elektroda harus dijauhkan dari penderita. Penderita dipindahkan dengan menggunakan bahan-bahan isolator agar petugas terhindar dari bahaya syok listrik. Pertolongan yang diberikan tergantung dari berat atau ringannya syok listrik. Syok listrik ringan: Penderita diistirahatkan Diberi minum dengan air dingin dengan tujuan agar tidak menyebabkan vasodilatasi/pelebaran pembuluh darah dan
Biolistrik 143
berkeringat banyak yang dapat menyebabkan penurunan tekanan darah. Syok listrik berat: Penderita ditelentangkan agar mudah bernafas. Pakaian dilonggarkan agar mendapat udara yang cukup, hindari ruang yang panas/pengap karena dapat menyebabkan vasodilatasi dan berkeringat banyak yang dapat menurunkan tekanan darah. Apabila kesadaran menurun dan kegagalan pernafasan, dapat dilakukan pernafasan buatan melalui mulut, hidung atau memberi oksigen melalui kantong udara atau masker. Apabila terjadi jantung berhenti berdenyut, dilakukan masage jantung. Oleh karena bahaya syok listrik sangat besar hingga dapat menyebabkan kematian, maka perlu adanya tindakan pencegahan. Untuk menghindari bahaya syok listrik, yaitu: segala alat digroundkan, isolasi penderita dari ground, hindari alat-alat yang berdekatan dengan penderita dan lakukan regular testing prosedur.
- oOo -
144 Fisika Kesehatan
BAB VIII
BIO OPTIK
A. Cahaya
C
ahaya telah menggelitik rasa ingin tahu manusia selama berabadabad. Mula-mula secara teori cahaya dianggap sebagai sesuatu yang memancar dari mata. Kemudian disadari bahwa cahaya pastilah muncul dari objek-objek yang terlihat dan memasuki mata sehingga menyebabkan sensasi penglihatan. Pertanyaan tentang apakah cahaya terdiri dari sebuah sorotan dari partikel-partikel atau sama semacam gerakan gelombang adalah yang paling menarik dalam sejarah sains. Tokoh yang paling berpengaruh dalam teori partikel cahaya adalah Irsac Newton. Dengan teori tersebut Newton dapat menjelaskan hukumhukum refleksi dan refraksi. Newton menurunkan hukum refraksi berdasarkan asumsi bahwa cahaya berjalan dalam air atau gelas lebih cepat dari pada di udara, sebuah asumsi yang akhirnya terbukti salah. Tokoh-tokoh utama dari teori gelombang cahaya adalah Christian Huygens dan Robert Hooke . Menggunakan teori perambatan gelombang, Huygens dapat menjelaskan refleksi dari refraksi dengan asumsi cahaya berjalan di gelas atau air lebih lambat dari pada di udara. Teori tersebut ditolak oleh Newton karena berdasarkan kenyataan yang terlihat bahwa perambatan cahaya adalah garis lurus. Pada waktu itu pembelokan cahaya di sekitar penghalang yang disebut difraksi belum diamati. Karena reputasi dan otoritasnya, penolakan Newton terhadap teori gelombang cahaya sangat mempengaruhi pengikutnya. Bahkan sesudah bukti dari difraksi tersedia, pengikut Newton mencari-cari penjelasannya seakan-akan difraksi adalah hamburan partikel-partikel cahaya dari tepi celah. 145
Teori partikel-partikel Newton diterima selama lebih dari seabad kemudian. Pada tahun 1801, Thomas Young menghidupkan kembali teori gelombang cahaya. Ia adalah salah seorang yang pertama kali memperkenalkan ide interferensi sebagai fenomena gelombang yang terjadi pada cahaya dan suara. Hasil pengamatannya tentang interferensi adalah penjelasan tentang sifat alami cahaya sebagai gelombang. Hasil kerja Thomas Young tidak diperhatikan oleh masyarakat ilmiah selama lebih dari satu dekade. Mungkin yang paling berjasa dalam mengusahakan agar teori gelombang cahaya dapat diterima secara umum dan berhasil adalah fisikawan Perancis Augustin Fresnel (1788-1827). Ia melakukan eksperimen secara luas tentang interferensi dan difraksi serta meletakkan teori gelombang dalam dasar matematis. Ia menjelaskan bahwa perambatan cahaya yang terlihat lurus itu adalah sebuah hasil dari cahaya tampak yang memiliki panjang gelombang yang pendek. Pada tahun 1850, Jean Foucault mengukur laju cahaya dalam air dan menunjukkan bahwa laju cahaya tersebut lebih kecil dibanding laju cahaya di udara, yang berarti menyingkirkan teori partikel Newton. Pada tahun 1860, James Clerk Maxwell mempublikasikan teori matematisnya tentang elektromagnetisme, yang memprediksikan keberadaan gelombang-gelombang elektromagnetik yang merambat dengan laju yang setelah dihitung dari hukum-hukum kelistrikan dan kemagnetan bernilai 3 108 m/s, yang berarti sama dengan laju cahaya. Maxwell didukung oleh Hertz yang pada tahun 1887 dengan menggunakan sirkuit untuk mendeteksinya. Pada paruh abad ke-19, Kirchhoff dan beberapa ilmuwan lainnya menerapkan persamaan Maxwell untuk menjelaskan interferensi dan difraksi cahaya serta gelombang-gelombang elektromagnetik lainnya dan meletakkan metode-metode konstruksi empirisnya Huygens pada kerangka matematika yang mantap. Meskipun teori gelombang pada umumnya dapat mendeskripsikan cahaya (dan gelombang-gelombang elektromagnetik lainnya), namun teori tesebut gagal menjelaskan semua sifat-sifat cahaya, khususnya tentang interaksi cahaya dengan materi. Dalam percobaan tahun 1887 yang terkenal mendukung teori gelombang Maxwell, Hertz juga menemukan efek foto listrik. Efek ini hanya dapat dijelaskan dengan sebuah model partikel cahaya, seperti yang ditunjukkan oleh Einstein hanya beberapa 146 Fisika Kesehatan
×
tahun sesudahnya. Dengan demikian sebuah model partikel cahaya diperkenalkan kembali. Partikel-partikel cahaya disebut foton. Energi dari sebuah foton E dihubungkan dengan frekuensi f dari gelombang cahaya melalui rumus Einstein E = h f , di mana h disebut konstanta Plank. Pemahaman lengkap tentang dualisme cahaya (cahaya sebagai sebuah partikel dan gelombang) baru muncul pada tahun 1929-an melalui percobaan-percoban oleh C.J. Davisson dan L. Germer, serta oleh G.P. Thompson, yang menunjukkan bahwa elektron-elektron (dan partikelpartikel lainnya) juga mempunyai sifat dualisme, dan percobaan-percobaan mereka juga menunjukkan sifat-sifat gelombang dalam interferensi dan difraksi disamping sifat-sifat partikel yang sudah dikenal. Pengembangan teori kuantum atom dan molekul oleh Rutherford, Bohr, Schrodinger dan lainnya di abad ke-20 menuntun ke pemahaman emisi (pancaran) dan absorbsi (penyerapan) cahaya oleh materi. Cahaya yang dipancarkan atau diserap oleh atom-atom sekarang diketahui sebagai perubahan energi dari elektron-elektron terluar di dalam atom. Karena perubahan-perubahan energi ini dikuantisasikan dan bukannya berlangsung kontinyu, foton-foton yang dipancarkan memiliki energi diskrit dengan hasilnya adalah gelombang cahaya dengan satu set frekuensi dan panjang gelombang diskrit, yang mirip satu set frekuensi dan panjang gelombang yang diamati pada gelombang-gelombang suara stasioner. Perkembangan teknologi pada paruh kedua abad ke-20 mengarah kepada pembaharuan minat baik dalam optika teoritis maupun terapan. Kemajuan komputer kecepatan tinggi, telah membawa perkembangan yang luas dalam perancangan sistem optik yang kompleks. Serat optik dengan cepat menggantikan kabel listrik untuk transmisi data. Laser, yang ditemukan tahun 1960 telah mengarahkan penemuan sejumlah efek optis baru. Saat ini laser digunakan untuk memindai (scan) labellabel di pasar swalayan, melakukan operasi-operasi di rumah sakit dan sebagainya. 1. Laju Cahaya Beberapa eksperimen telah dilakukan oleh para ilmuwan untuk mengukur laju cahaya. Indikasi pertama dalam pengukuran besaran yang benar akan laju cahaya datang dari pengamatan astronomis dari periode Io, salah satu dari bulan-bulan (satelit) dari planet Jupiter.
Bio Optik 147
Periode ini ditentukan dengan mengukur waktu antara dua gerhana (ketika Io lenyap di belakang Jupiter). Periode gerhana kira-kira 42,5 jam, tetapi pengukuran-pengukuran yang dilakukan ketika bumi menjauhi Jupiter sepanjang setengah lintasannya mengelilingi matahari memberikan nilai yang lebih besar dari pada periode ini dibandingkan ketika bumi mendekati Jupiter sepanjang setengah lintasan berikutnya bumi mengelilingi matahari. Karena pengukuranpengukuran ini hanya berselisih 15 detik dari nilai rata-rata, ketidakcocokannya sulit diukur secara akurat. Pada tahun 1675, astronomi Ole Romer menghubungkan ketidakcocokannya ini dengan fakta bahwa laju cahaya tak terbatas. Selama 42,5 jam antara dua gerhana dari satelit Jupiter, jarak antara bumi dan Jupiter berubah, yang membuat lintasan bagi cahaya memanjang maupun memendek. Romer merancang metode berikut untuk mengukur efek kumulatif dari ketidakcocokan-ketidakcocokan ini. Karena Jupiter bergerak jauh lebih lambat dari pada bumi, kita dapat mengabaikan gerakannya. Ketika bumi berada pada titik terdekat dengan Jupiter, jarak antara bumi dengan Jupiter berubah. Periode gerhana Io diukur, memberikan waktu antara dua permulaan gerhana-gerhana sesudahnya. Berdasarkan pengukuran ini, banyaknya gerhana dalam 6 bulan dihitung, dan waktu saat sebuah gerhana harus mulai setengah tahun berikutnya ketika bumi disuatu titik diprediksikan. Saat bumi benarbenar berada di titik tersebut, permulan gerhana yang diamati kirakira 16,6 menit lebih lambat dari yang diprediksikan. Inilah saat yang diperlukan untuk memulai sebuah jarak yang sama dengan diameter orbit bumi. Contoh: Diameter orbit bumi 3,00 1011 m. Jika cahaya memerlukan 16,6 menit untuk melalui jarak tersebut, berapakah laju cahaya? Jawab: Jika diubah ke detik, maka 16,6 menit = (16,6menit)(60 menit/detik) = 996 detik Kecepatan cahaya yang diukur adalah
148 Fisika Kesehatan
× ∆x c= ∆t
Dari berbagai metode pengukuran laju cahaya yang telah dilakukan oleh para fisikawan, pada dasarnya terdapat kesamaan nilai yang didapat. Saat ini kecepatan cahaya didefinisikan secara tepat, c = 299 792 457 m/detik dan standar panjang, meter, didefinisikan sehubungan dengan nilai laju cahaya di atas pengukuran laju cahaya saat ini adalah pengukuran dalam ukuran meter, yaitu jarak yang ditempuh oleh cahaya selama (1/299 792 457) detik. Nilai 3 x 108 m/ detik bagi laju cahaya cukup akurat untuk hampir semua perhitungan. Laju gelombang-gelombang radio dan semua gelombang-gelombang elektromagnetik lainnya dalam ruang hampa sama dengan laju cahaya. 2. Pemantulan dan Pembiasan Ketika gelombang dari tipe apapun mengenai sebuah penghalang datar misalnya sebuah cermin, gelombang-gelombang baru dibangkitkan dan bergerak menjauhi penghalang tersebut. Fenomena ini disebut pemantulan. Saat cahaya masuk pada sebuah permukaan yang memisahkan dua medium di mana laju cahayanya berbeda, sebagian energi cahaya di transmisikan dan sebagian lagi dipantulkan. Sudut pantul sama dengan sudut datang (hukum pemantulan):
èr= è1
(8.1)
Ketika sebuah berkas cahaya mengenai sebuah permukaan bidang batas yang memisahkan dua medium berbeda, seperti misalnya sebuah permukaan udara kaca, energi cahaya tersebut dipantulkan dan memasuki medium kedua, perubahan arah dari sinar yang ditransmisikan tersebut Gambar 8.1 Sudut pantul r = 1 disebut pembiasan. Laju cahaya di dalam medium, misalnya kaca, air atau udara ditentukan oleh indeks bias n, yang didefinisikan sebagai: Perbandingan laju cahaya dalam ruang hampa c terhadap laju tersebut dalam medium v.
Bio Optik 149
n=
c v
(8.2)
Jika cahaya berjalan dalam sebuah medium dengan indeks bias n1 dan datang pada bidang batas dari medium ke dua dengan indeks bias yang lebih kecil n2 < n1, maka cahaya tersebut dipantulkan secara total jika sudut datangnya lebih besar dari sudut kritis èc (dicapai dimana sudut biasnya adalah 90o) yang diberikan oleh:
sinθ c =
n2 n1
(8.3)
3. Dispersi Laju cahaya di dalam sebuah medium, begitu juga indeks bias medium tersebut, bergantung pada panjang gelombang cahayanya. Fenomena ini dikenal sebagai dispersi. Akibat dispersi, seberkas cahaya putih yang masuk pada sebuah prisma pembias didispersikan menjadi warna-warna komponennya. Begitu juga pemantulan dan pembiasan cahaya matahari oleh tetes-tetes air hujan yang menghasilkan pelangi. 4. Penerangan dan Fotometri Fotometri adalah ilmu yang mempelajari tentang pengukuran kuantitas cahaya. Ada beberapa kuantitas cahaya, yaitu : a. Intensitas cahaya (I) suatu sumber cahaya adalah ukuran intensitas (atau kekuatan) sumber menurut mata kita. Karena mata kurang peka terhadap cahaya biru dari pada cahaya hijau, misalnya, maka sumber cahaya biru harus mengeluarkan daya (dalam watt) yang lebih besar dari pada sumber cahaya hijau, kalau sumber diinginkan memiliki intensitas cahaya yang sama. Sumber (dengan komposisi warna apa saja) dikatakan memiliki intensitas cahaya I sebesar 1 kandela (1 cd) jika tampak sama terang seperti sesuatu sumber baku tertentu yang bersuhu 2046 K (putih menyala). Kebanyakan sumber cahaya menampakkan intensitas yang berbeda-beda bila dipandang dari berbagai arah, hingga nilai I suatu sumber dapat bergantung pada sudut pandang. Satuan yang dulu dipakai untuk 150 Fisika Kesehatan
I cahaya adalah satuan “lilin” atau “daya lilin”. lilin = 1 daya lilin = 0,981 cd. b. Fluks cahaya ( ∆ F) yang melalui permukaan kecil ∆ A, tak lain adalah jumlah cahaya (menurut mata) yang melalui permukaan A itu. Misalkan intensitas cahaya sumber dalam arah unsur permukaan ∆ A berbentuk bola dengan jari-jari r, adalah I. Maka menurut definisi, fluks cahaya melalui ∆ A adalah: (8.4) ∆ω = (∆A ) /r2 adalah sudut yang terpancung pada titik pusat bola oleh unsur permukaan ∆ A. Sudut ruang dinyatakan dalam satuan tak berdimensi disebut steradian (sr). Kalau I dinyatakan dalam candela, dan dalam steradian, maka fluks bersatuan lumen (lm). Maka:
lm = 1 cd.sr atau 1 cd = 1 lm/sr c. Iluminasi atau Intensitas Penerangan (E) suatu permukaan ω ∆F ∆A ∆F ∆ EF= = I 2 = I∆ω menyatakan banyaknya cahaya yang tiba pada satu luas ∆A r permukaan. Jika fluks sebesar tiba pada permukaan ∆ A, maka intensitas penerangan (iluminasi) di tempat itu adalah: (8.5) Kalau permukaan A diterangi fluks F secara merata, intensitas penerangan E = F/A. Satuan E adalah lm/m2 atau luks (lx), atau lm/ft2 (disebut ‘foot-candle’). Kekuatan penerangan sebesar-besarnya pada suatu permukaan akan terjadi bila fluks cahaya jatuh secara tegak-lurus permukaan, karena dalam keadaan demikian fluks maksimum jatuh pada permukaan. d. Intensitas Penerangan atau Iluminasi oleh sumber titik isotropic. Fluks cahaya yang keluar dari sumber titik isotropic tidak tergantung pada arah pandang, dan menembus permukaan bola yang berpusat pada sumber titik itu, secara tegak lurus. Intensitas penerangan pada setiap titik permukaan bola tersebut adalah:
Bio Optik 151
E=
4πI F I = = 2 2 A 4πr r
(8.6)
Maka intensitas penerangan oleh sumber titik isotropic berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Misalkan dua sumber titik I1 dan I2 yang berjarak r1 dan r2 dari layar menghantarkan fluks pada suatu layar secara tegak lurus (atau pada sudut yang sama). Kalau jarak r1 dan r2 adalah sedemikian rupa sehingga kuat penerangan kedua sumber pada layar adalah sama, jadi E1 dan E2, maka : (8.7) Persamaan (8.7) dikenal sebagai azas fotometri. 5. Penggunaan Sinar Gelombang Cahaya dalam Bidang Kedokteran Sinar sangat berguna dalam bidang kedokteran baik sebagai pembantu diagnosis maupun sebagai terapi. a. Penggunaan Sinar Menurut Panjang Gelombangnya 1) Ungu Ultra Ungu ultra mempunyai panjang gelombang antara 100-400 nm (1 nm = 10-9m). Sinar ungu ultra mempunyai efek fisik, kimia dan biologis, di samping itu sinar ungu ultra dipakai untuk sterilisasi oleh karena mempunyai sifat bakterisit. Selain itu juga mempunyi efek terhadap kulit yaitu dalam hal pembentukan vitamin D. Ungu ultra dapat menyebabkan kulit kemerahmerahan (erithema), dengan mempergunakan sifat ini maka telah ada usaha untuk mengobati penderita vitiligo (kulit putih). Selain itu menyebabkan edema kulit, pigmentasi (melanin kulit) dan pembentukan vitamin D. Terhadap mata menyebabkan foto keratitis dan katarak pada lensa mata dan cairan mata bisa mengalami fluoresen yang bersifat sementara tanpa perubahan patologis. Ungu ultra juga dapat digunakan untuk mengatasi penderita arthritis (radang sendi).
152 Fisika Kesehatan
I1 ⎛ =⎜ I2 ⎜⎝
2) Sinar Tampak (visible light) Mempunyai panjang gelombang antara 400-700 nm. Termasuk dalam sinar tampak adalah: ungu, nila, biru, hijau, kuning, oranye/jingga dan merah. Sinar tampak digunakan untuk mengetahui secara langsung apakah bagian-bagian tubuh baik luar maupun dalam mengalami suatu kelainan, untuk itu dapat diperinci sebagai berikut : a) Transilluminasi: adalah transmisi cahaya melalui jaringan tubuh untuk mengetahui apakah ada gejala hidrosefalus (kepala mengandung cairan oleh karena belum sempurna pembentukan tulang tengkorak) atau ada kelainan di dalam tubuh. Cahaya yang ditransmisikan akan dihamburkan sedemikian rupa sehingga membentuk cahaya yang spesifik. Selain itu digunakan juga untuk menentukan pneumetoraks, kelainan testes dan payudara. b) Endoskop: adalah alat yang digunakan untuk melihat ruang di dalam tubuh. Alat ini terdiri dari fiberglas yang mudah dibengkokkan dan lampu. Sinar-sinar yang melalui fiberglas akan dipantulkan secara sempurna sehingga gambaran di dalam tubuh dapat terlihat dengan mudah. 3) Sinar Merah infra (Infra Red) Sinar infra merah mempunyai panjang gelombang antara 700104 nm. Kegunaan klinik sinar infra merah adalah sebagai berikut: a) Sebagai diatermi pada penderita arthritis. b) Emisi infra merah fotografi di mana radiasi yang dipancarkan oleh tubuh kemudian ditangkap/dideteksi sebagai termogram. c) Reflective infra red photography, yaitu menggunakan panjang gelombang 700-900 nm, digunakan untuk menunjukkan aliran vena pada kulit. d) Digunakan untuk photography terhadap pupil mata tanpa suatu rangsangan.
Bio Optik 153
b. LASER Singkatan dari kata Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (penguatan cahaya oleh emisi radiasi terangsang). Dasar teori laser mula-mula dicetuskan oleh Albert Einstein (1917). Hingga tahun 1960 T.H. Maiman memproduksi sinar laser dari suatu kristal ruby. Pada tahun 1960 para ahli banyak membuat laser dengan mempergunakan gas, zat cair dan solid sebagai material laser. Sinar laser merupakan sumber cahaya yang diemisi sebagai berkas cahaya yang monokhromatis yang masing-masing gelombang dalam satu fase bersama-sama berkas cahaya lainnya yang berdekatan (cahaya koheren) dan parallel. Sinar laser dapat difokuskan pada suatu titik yang berdiameter beberapa micron saja. Apabila semua energi laser dikonsentrasikan pada suatu daerah kecil saja, dayanya akan menjadi besar. Ada beberapa macam laser, yaitu: 1) Laser p-n junction, belum banyak digunakan, beroperasi pada daerah merah dengan kepadatan arus 103 A/cm2 atau lebih, serta pulsa 10-100 ns (nano second). 2) Laser He-Ne, beroperasi pada daerah merah dengan spektrum 633 nm, bekerja pada suatu tekanan yang rendah serupa dengan neon dengan daya 100mW. 3) Laser Argon, memberikan tingkat daya kontinyu yang tinggi (1-15 W) dengan spektrum 515 nm. Kegunaannya untuk foto coagulase pembuluh darah di dalam mata penderita yang mengalami diabetes retinopathy. 4) Laser CO2, memberi daya 50-500 W, dipakai untuk memotong plastik logam setebal 1 cm. Penggunaan laser dalam praktik klinik adalah: 1) Pada beberapa penyakit mata, sinar laser digunakan secara rutin untuk koagulasi darah dan memblokir pembuluh darah vena. 2) Untuk memperoleh bayangan tiga dimensi yang dikenal sebagai holography. 3) Pengobatan pada beberapa tipe kanker.
154 Fisika Kesehatan
Namun demikian, kerusakan jaringan dapat terjadi oleh karena penggunaan laser pada jaringan mencapai temperatur 100oC.
B. Optika Geometris Panjang gelombang cahaya sangat kecil dibandingkan dengan sebagian penghalang dan lubang. Oleh karena itu, difraksi pembelokan gelombang di sekitar sudut sering diabaikan, dan pendekatan sinar di mana gelombang dianggap merambat dalam garis lurus, adalah sah. Optika Geometris adalah studi tentang fenomena-fenomena di mana pendekatan sinar adalah sah. Dengan pendekatan optika geometris, dapat dipelajari sifat-sifat lensa dan cermin dalam bentuk matematis. Pada bagian ini kita akan menerapkan hukum-hukum pemantulan dan pembiasan untuk pembentukan bayangan oleh cermin dan lensa. 1. Cermin Datar Bayangan yang kita lihat jika kita letakkan telapak tangan di depan bidang cermin datar, bayangan tersebut sama ukurannya seperti objeknya. Namun bayangan tersebut tidak sama seperti apa yang terlihat jika seseorang menghadap kita atau jika kita melihat telapak tangan kanan kita. Bayangan tangan kanan akan menjadi tangan kiri di cermin. Pembalikan kanan ke kiri ini adalah akibat pembalikan kedalaman, yaitu tangan diubah dari kanan ke kiri karena bagian depan dan belakang tangan dibalik oleh cermin.Untuk sebuah cermin datar, r (jari-jari kelengkungan cermin) dan f (titik fokus) nya tak terhingga. Jarak bayangan = - jarak benda (s’= -s). Bayangan yang dihasilkan oleh cermin datar bersifat nyata, tegak dan berukuran sama dengan obyeknya.
Gambar 8.2 Bayangan tangan kanan pada sebuah cermin datar adalah tangan kiri
Bio Optik 155
2. Cermin-cermin Melengkung Sebuah bayangan yang terbentuk dari sebuah cermin melengkung atau dari sebuah lensa berada pada jarak s’. Bayangan tersebut dihubungkan dengan jarak obyek s oleh persamaan: 1 1 1 = + ' s s f
(8.8)
di mana f adalah panjang fokus, yang menjadi jarak bayangannya jika s = ∞ . Untuk sebuah cermin, panjang fokusnya sama dengan setengah jari-jari kelengkungnnya: (8.9) Untuk sebuah lensa tipis di udara, panjang fokusnya dihubungkan dengan indeks bias n dan jari-jari kelengkungan dua sisinya r1 dan r2 oleh persamaan:
⎛1 1⎞ 1 = (n − 1)⎜⎜ − ⎟⎟ f ⎝ r1 r2 ⎠
(8.10) f=
Pada persamaan ini s, s’, r, r1 dan r2 dianggap positif jika obyeknya, bayangannya, atau pusat kelengkungan terletak pada sisi nyata dari elemennya. Untuk cermin, sisi nyatanya adalah sisi datang. Untuk lensa, sisi nyata adalah sisi datang dari obyek dan sisi transmisi bagi bayangan dan pusat kelengkungan. Jika s’ positif, bayangannya nyata, yang berarti bahwa berkas-berkas cahaya benar-benar menyebar dari titik bayangan. Bayangan-bayangan nyata dapat dilihat pada sebuah layar pantau kaca kasar atau film fotografis yang diletakkan pada titik bayangan. Jika s’ negatif, bayangannya maya, yang berarti tidak ada cahaya yang benar-benar menyebar dari titik bayangan. Sedangakan perbesaran lateral bayangan diberikan oleh rumus: m=
y' − s' = y s
(8.11)
di mana y adalah ukuran obyek dan y’ adalah ukuran bayangan. Perbesaran negatif berarti bahwa bayangannya terbalik. 156 Fisika Kesehatan
1 r 2
Contoh: Sebuah obyek berada 12 cm dari cermin cekung dengan jari-jari kelengkungan 6 cm. Tentukan (a) panjang fokus cermin tersebut, (b) jarak bayangan dan (c) perbesarannya! Jawab: (a). Dari persamaan (8.9), panjang fokus adalah f=
1 1 r = (6cm ) = 3cm 2 2
(b). Persamaan (8.8) memberikan: 1 1 1 = + ' s s f 1 + 12cm 1 4 1 3 = − = s' 12cm 12cm 12cm 1 1 = ' s 3cm
s’ = 4 cm (c). Dari persamaan (8.11) memberikan: m=
y' − s' = y s
m=
y' − 4' − 1 kali = = y 12 3
Bayangan dapat ditentukan letaknya melalui sebuah diagram sinar yang memakai dua sinar-sinar utama. Titik dari mana sinarsinar ini menyebar atau kelihatan menyebar adalah titik bayangan. Untuk cermin-cermin melengkung, ada empat sinar utama: a. Sinar sejajar, yang digambar sejajar dengan sumbu utama. Sinar ini dipantulkan melalui titik fokus. b. Sinar fokus, yang digambar melalui titik fokus. Sinar ini dipantulkan sejajar sumbu utama.
Bio Optik 157
c. Sinar radial, yang digambar melalui pusat kelengkungan. Sinar ini mengenai cermin tegak lurus permukaannya dan kemudian dipantulkan kembali pada dirinya. d. Sinar pusat, yang digambar pada verteks cermin tersebut. Sinar ini memantul, dengan sudut yang sama, terhadap sumbu utama.
(a)
(b)
Gambar 8.3 Diagram sinar untuk menentukan lokasi bayangan melalui konstruksi geometris
Kita lihat dari gambar 8.3.a, bahwa bayangan tersebut dibalik dan tidak sama ukuran dengan obyeknya. Perbandingan antara ukuran bayangan terhadap ukuran obyek didefinisikan sebagai perbesaran lateral dari bayangan tersebut. Pada gambar 8.3.b, digambarkan sinar pusat dari puncak obyek ke pusat cermin, sinar ini membentuk sudut dengan sumbu utama. Sinar yang dipantulkan ke puncak bayangan membentuk sudut yang sama besarnya dengan sumbu utama. Sebuah perbandingan dari segi tiga yang dibentuk oleh sinar datang, sumbu utama, dan obyek dengan segi tiga yang dibentuk oleh sinar yang dipantulkan, sumbu utama dan bayangannya menunjukkan bahwa perbesaran lateral y’/y sama dengan perbandingan dari jarak-jarak s’/s. 3. Lensa Berdasarkan bentuk permukaannya, lensa dibagi menjadi dua, yaitu: a. Lensa yang mempunyai permukaan sferis, dibagi menjadi dua macam pula, yaitu: 158 Fisika Kesehatan
1) Lensa Cembung / Konvergen / Positif Sebuah lensa positif atau lensa pengumpul adalah lensa yang bagian tengahnya lebih tebal dari bagian tepinya. Cahaya sejajar yang datang pada sebuah lensa positif difokuskan pada titik foks kedua yang berada pada sisi transmisi lensa tersebut.
Gambar 8.4 Bidang gelombang untuk gelombang datar yang mengenai sebuah lensa pengumpul
2) Lensa Cekung / Divergen / Negatif Sebuah lensa negatif atau lensa menyebar adalah lensa yang bagian tepinya lebih tebal dari pada bagian tengahnya. Cahaya sejajar yang datang pada sebuah lensa negatif memancar seolah-olah dari titik fokus kedua, yang berada pada sisi datang lensa.
Bio Optik 159
Gambar 8.5 Bidang gelombang dan sinar untuk gelombanggelombang datar yang datang pada sebuah lensa cekung ganda. b. Lensa yang mempunyai permukaan silindris Adalah lensa yang mempunyai permukaan silinder, lensa ini mempunyai fokus yang positif dan ada pula yang mempunyai panjang fokus negatif. 4. Kekuatan Lensa (Dioptri) Kekuatan lensa dinyatakan dengan satuan dioptri (m-1). Kekuatan lensa (P) sama dengan kebalikan panjang fokusnya (1/f). Jika panjang fokus dalam meter, kekuatan lensa adalah dalam dioptri (D): P=
1 1 1 = + dioptri f s' s
(8.12)
P = Kekuatan lensa (dioptri) F = fokus lensa (m) s = jarak benda dari lensa (m) s’ = jarak bayangan dari lensa (m) 1D = 1 m-1 5. Bayangan yang Terbentuk Melalui Pembiasan Pembentukan sebuah bayangan oleh pembiasan pada sebuah permukaan melengkung yang memisahkan dua medium dengan indeks bias n1 dan n2 diilustrasikan pada Gambar 8.6.
160 Fisika Kesehatan
Gambar 8.6 Bayangan yang dibentuk oleh pembiasan permukaan lengkung di antara dua medium
Pada gambar ini n2 lebih besar dari n1, sehingga gelombanggelombang berjalan lebih lambat di medium kedua. Jarak bayangan s’ untuk pembiasan pada sebuah permukaan sferis (melengkung) tunggal dengan jari-jari r dihubungkan dengan jarak obyek s dan jari-jari kelengkungan permukaan r oleh: n1 n2 n2 − n1 + = s s r
(8.13)
di mana n1adalah indeks bias medium pada sisi datang permukaan dan n2 adalah indeks bias medium pada sisi transmisinya. Perbesaran yang disebabkan oleh pembiasan pada permukaan tunggal adalah:
m=
n1s' n2 s
(8.14)
Contoh: Seekor ikan dalam sebuah mangkok bulat berisi air dengan indeks bias 1,33. Jari-jari mangkok 15 cm. Ikan melihat menembus mangkok tersebut dan melihat seekor kucing sedang duduk di atas meja dengan hidungnya 10 cm dari mangkok tersebut. Di manakah bayangan hidung kucing tersebut, dan berapakah besarnya? Jawab: Jarak obyek antara kucing dan mangkok (s) adalah 10 cm. Indeks bias n1 = 1 dan n2 = 1,33. Jari-jari kelengkungan +15 cm. Persamaan (8.13) untuk jarak bayangan memberikan:
Bio Optik 161
n1 n2 n2 − n1 + = s s r 1,00 1,33 1,33 − 1,0 = + 10cm s' 15cm
s’= -17,1 cm. Jarak bayangan negatif berarti bahwa bayangan tersebut adalah nyata dan di depan permukaan membias, pada sisi yang sama dengan obyeknya. Sedangakan perbesaran bayangannya adalah:
m=
n1s' − 17,1cm = 1,29 kali = n2 s 1,33(10cm )
Jadi kucing tersebut kelihatan lebih jauh dan sedikit lebih besar. 6. Aberasi Pemburaman bayangan dari sebuah obyek tunggal dikenal dengan istilah aberasi. Aberasi sferis merupakan hasil dari kenyataan bahwa permukaan melengkung hanya memfokuskan sinar-sinar paraksial (sinar-sinar yang berjalan dekat sumbu utama) pada sebuah titik tunggal. Sinar-sinar non paraksial pada titik dekat yang bergantung pada sudut yang dibuat dengan sumbu utamanya. Sinarsinar yang mengenai lensa jauh dari sumbu utama dibelokkan lebih dari sinar-sinar yang dekat dengan sumbu utama, dengan hasilnya bahwa tidak semua sinar difokuskan pada sebuah titik tunggal. Sebaliknya bayangan tersebut kelihatan sebagai sebuah cakram melingkar. Lingkaran dengan kekacauan paling sedikit berada pada titik, di mana garis tengahnya minimum.
Gambar 8.7 Aberasi sferis
162 Fisika Kesehatan
Aberasi sferis dapat dikurangi dengan memperkecil ukuran permukaan melengkungnya, yang juga berarti memperkecil jumlah cahaya yang mencapai bayangannya Aberasi yang mirip seperti ini namun lebih rumit disebut coma (comet-shapet image) dan astigmatisma yang terjadi saat obyek-obyek berada di luar sumbu utama. Aberasi dalam bentuk bayangan obyek yang memanjang yang disebabkan kenyataan bahwa perbesaran bergantung pada jarak titik obyek dari sumbu utama disebut distorsi.
Aberasi kromatik, yang terjadi pada lensa dan bukan pada cermin, adalah hasil dari variasi indeks bias dengan panajang gelombang. Aberasi kromatik dan aberasi lainnya dapat diperbaiki sebagian dengan menggunakan kombinasi beberapa lensa sebagai ganti sebuah lensa tunggal. Sebagai contoh, sebuah lensa positif dan sebuah lensa negatif dengan panjang fokus lebih besar dapat digunakan bersama-sama untuk menghasilkan sebuah sistem lensa Gambar 8.8 Aberasi kromatis pengumpul yang mempunyai aberasi kromatik jauh lebih sedikit dibandingkan sebuah lensa tunggal dengan panjang fokus yang sama. Lensa-lensa kamera yang bagus biasanya berisi elemen-elemen untuk memperbaiki berbagai aberasi yang muncul.
C. Instrumen Optik Dalam bab ini kita akan menggunakan apa yang telah kita pelajari tentang cermin dan lensa untuk mencermati cara kerja salah satu instrumen optik yang terpenting, yaitu mata. Banyak instrumen optik
Bio Optik 163
yang digunakan saat ini sangat canggih. Prinsip kerjanya sering sangat sederhana, tetapi penggunaan imajinatif prinsip-prinsip ini telah melipatgandakan kemampuan kita untuk melihat dan memahami dunia yang melingkupi kita. Mata Mata merupakan alat optik yang paling dekat dengan kita dan merupakan sistem optik yang paling penting. Dengan mata kita bisa melihat keindahan alam disekitar kita. Gambar mata ditunjukkan pada gambar 8.9.
Gambar 8.9 Mata manusia
1. Bagian-bagian Mata Mata memiliki beberapa bagian-bagian yang memiliki fungsifungsi tertentu sebagai alat optik, yaitu : a. Kornea, merupakan selaput kuat yang tembus cahaya dan berfungsi sebagai pelindung bagian dalam bola mata. b. Iris, merupakan selaput berbentuk lingkaran yang menyebabkan mata dapat membedakan warna. c. Pupil, merupakan celah lingkaran pada mata yang dibentuk oleh iris, berfungsi mengatur banyaknya cahaya yang masuk ke mata. d. Lensa mata, merupakan lensa cembung yang terbuat dari bahan bening, berserat dan kenyal, berfungsi mengatur pembiasan cahaya.
164 Fisika Kesehatan
e. Retina, merupakan lapisan yang berisi ujung-ujung saraf yang sangat peka terhadap cahaya. Retina berfungsi untuk menangkap bayangan yang dibentuk oleh lensa mata. f. Aquaeuos humor, merupakan cairan mata. g. Syaraf optik, merupakan syaraf yang menyampaikan informasi tentang kuat cahaya dan warna ke otak. 2. Pembentukan Bayangan Pada Mata Mata bisa melihat benda jika cahaya yang dipantulkan benda sampai pada mata dengan cukup, kemudian lensa mata akan membentuk bayangan yang bersifat nyata, terbalik dan diperkecil pada retina. Ada tiga komponen penginderaan penglihatan, yaitu: a. Mata memfokuskan bayangan pada retina b. Sistem syaraf mata yang memberi informasi ke otak c. Korteks penglihatan salah satu bagian yang menganalisa penglihatan tersebut. Cahaya memasuki mata melalui bukaan yang berubah, lapisan serat saraf yang menutupi permukaan belakangnya. Retina berisi struktur indra-cahaya yang sangat luas yang disebut batang (rod) dan kerucut (cone) yang menerima dan memancarkan informasi di sepanjang serat saraf optik ke otak. Bentuk lensa kristal dapat diubah sedikit oleh kerja otot siliari. Apa bila mata difokuskan pada benda yang jauh, otot akan mengendur dan sistem lensa-kornea berada pada panjang fokus maksimumnya, kira-kira 2 cm, jarak dari kornea ke retina. Apa bila benda didekatkan, otot siliari akan meningkatkan kelengkungan lensa, yang dengan demikian akan mengurangi panjang fokusnya sehingga bayangan akan difokuskan ke retina. Proses ini disebut akomodasi. Persamaan pembentukan bayangan pada mata dapat dirumuskan dengan persamaan (8.8) sebagai berikut: P=
1 1 1 = + f s' s
Bio Optik 165
Contoh: Seseorang bermata miopi mempunyai titik dekat 20 cm. Agar orang tersebut dapat melihat sebagai mana orang bermata normal dengan titik dekat 25 cm, berapakah: a. daya akomodasi mata pasien? b. kekuatan lensa kaca mata yang harus dipakai? c. Tentukan kekuatan lensa kaca mata yang harus dipakai apa bila titik dekat mata seseorang 0,5 m (hipermetropi)! Jawab: Untuk menjawab pertanyaan ini perlu diketahui bahwa bayangan obyek yang terjadi pada retina dibentuk oleh kornea dan lensa yang merupakan lensa gabung dan jarak kornea ke retina secara pendekatan empiris adalah 2 cm = 0,02 m. Daya akomodasi mata dihitung dalam Dioptri (D) di mana selisih antara kekuatan lensa mata untuk melihat pada titik/jarak tertentu dengan daya kekuatan lensa mata pada waktu melihat benda pada jarak jauh tak terhingga. a. Kekuatan fokus mata normal: 1 1 1 = 50 D = + f ∞ 0,02
Apabila mata orang tersebut difokuskan pada jarak 20 cm = 0,2 m, maka fokus matanya : 1 1 1 = 55 D = + f 0,2 0,02
Jadi daya akomodasi mata orang tersebut sebesar:
55D − 50D = 5D b. Untuk melihat benda pada jarak normal 25 cm = 0,25 m (mata normal), maka kekuatan lensa matanya: +
166 Fisika Kesehatan
1 = 54 D 0,02
1 = f 0,
Jadi kekuatan lensa kaca mata yang harus dipakai orang tersebut adalah: 54D − 55D = −1D (lensa minus dengan kekuatan lensa 1 D). c. Untuk titik dekat 0,5 m, maka fokus matanya: +
1 = 52 D 0,02
daya akomodasi mata orang tersebut adalah:
52D − 50D = 2D Untuk melihat benda pada jarak normal 25 cm = 0,25 m (mata normal), maka kekuatan lensa matanya : +
1 = 54 D 0,02
Jadi kekuatan lensa kaca mata yang harus dipakai orang tersebut adalah: 54D − 52D = 2D (lensa plus dengan kekuatan lensa 2 D). 1 11 3. Ketajaman Penglihatan = Ketajaman penglihatan digunakan untuk menentukan f 0,5 25 penggunaan kaca mata, di klinik dikenal dengan istilah visus. Sedangkan dalam fisika, ketajaman penglihatan ini disebut resolusi mata.
Visus penderita bukan saja memberi pengertian tentang optiknya (kaca mata), tetapi mempunyai arti yang lebih luas yaitu memberi keterangan mengenai baik buruknya fungsi mata secara keseluruhan. Oleh karena itu definisi visus adalah: nilai kebalikan sudut (dalam menit) terkecil di mana sebuah benda masih dapat dilihat dan dapat dibedakan. Pada penentuan visus, para ahli mata mempergunakan kartu Snellen, dengan berbagai ukuran huruf dan jarak yang sudah ditentukan. Misalnya mata normal pada waktu diperiksa diperoleh 20/40, berarti penderita dapat membaca huruf pada 20 ft, sedangkan bagi mata normal dapat membaca pada jarak 40 ft, (1 ft = 5 m). Dengan demikian dapat dirumuskan dengan persamaan:
Bio Optik 167
(8.15) d : jarak yang dapat dilihat oleh penderita D : jarak yang dapat dilihat oleh mata normal Penggunaan kartu Snellen ini kualitasnya kadang-kadang meragukan oleh karena huruf yang sama besarnya mempunyai derajat kesukaran yang berbeda, demikian pula huruf dengan ukuran berbeda kadang-kadang tidak sama bentuknya. Untuk menghindari kelemahan-kelemahan itu telah diciptakan kartu Cincin Landolt. Kartu ini mempunyai sejumlah cincin berlubang, diatur berderet yang sama besar, dengan lubang yang arahnya ke atas, ke bawah, ke kiri dan ke kanan. Dari atas ke bawah cincin itu diatur agar lubangnya mengecil secara berangsur-angsur. Penderita disuruh menunjukkan deretan cincin tersebut hingga cincin terkecil tanpa salah. Angka visus ini didapat dengan menghitung sudut di mana cincin Landolt itu diamati. Misalnya penderita menunjukkan cincin Landolt tanpa salah 0,8 mm jarak 4 meter. 4. Medan Penglihatan
Gambar 8.10 Perimeter
168 Fisika Kesehatan
V =
d D
Untuk mengetahui besar kecilnya medan penglihatan seseorang dipergunakan alat Perimeter . Dengan alat ini diperoleh medan penglihatan vertikal 130o, sedangkan medan penglihatan horizontal 155o. 5. Tanggap Cahaya Bagian mata yang tanggap cahaya adalah retina. Ada dua tipe fotoreseptor pada retina yaitu Rod (batang) dan Cone (kerucut). Rod dan Cone tidak terletak pada permukaan retina melainkan beberapa lapis di belakang jaringan syaraf. Tiap mata memiliki 6,5 juta cone yang berfungsi untuk melihat siang hari, disebut penglihatan fotopik. Melalui cone kita dapat mengenal beberapa warna, tetapi cone tidak sensitif terhadap semua warna, tetapi hanya sensitif terhadap warna kuning, hijau (panjang gelombang 550 nm). Cone terdapat terutama pada fovea sentralis. Rod dipergunakan pada waktu malam atau disebut penglihatan skotopik, dan merupakan ketajaman penglihatan dan dipergunakan untuk melihat ke samping. Setiap mata terdapat 120 juta rod. Distribusi pada retina tidak merata, pada sudut 20o terdapat kepadatan yang maksimal. Batang ini sangat peka terhadap cahaya biru dan hijau (510 nm). Tetapi rod dan cone sama-sama peka terhadap cahaya merah (650-700 nm), tetapi penglihatan cone lebih baik terhadap cahaya merah jika dibandingkan dengan rod. 6. Penyesuaian Terhadap Terang dan Gelap Dari ruang gelap masuk ke dalam ruangan terang kurang mengalami kesulitan dalam penglihatan. Tetapi apabila dari ruangan terang masuk ke dalam ruangan gelap akan tampak kesulitan dalam penglihatan dan diperlukan waktu tertentu agar memperoleh penyesuaian. Apabila kepekaan retina cukup besar, seluruh obyek/benda akan merangsang rod secara maksimum sehingga setiap benda bahkan yang gelap pun akan terlihat terang putih. Tetapi apabila kepekaan retina sangat lemah, ketika masuk ke dalam ruangan gelap tidak ada
Bio Optik 169
bayangan yang benderang yang merangsang rod dengan akibat tidak ada suatu obyek pun yang terlihat. Perubahan sensitivitas retina secara automatis ini dikenal sebagai fenomena penyesuaian terang dan gelap. a. Mekanisme Penyesuaian Terang (cahaya) Pada kerucut dan batang terjadi perubahan di bawah pengaruh energi sinar yang disebut foto kimia. Di bawah pengaruh foto kimia ini rhodopsin akan pecah, masuk ke dalam retina dan skotopsine. Retina akan tereduksi menjadi vitamin A di bawah pengaruh enzim alcohol dehydrogenase dan koenzym DPN-H + H+ (=DNA) dan terjadi proses timbal balik (visa verasa). Rushton (1955) telah membuktikan adanya rhodopsin dalam retina mata manusia, ternyata konsentrasi rhodopsin sesuai dengan distribusi rod. Penyinaran dengan energi cahaya yang besar dan dilakukan secara terus menerus, konsentrasi rhodopsin di dalam rod akan sangat menurun sehingga kepekaan retina terhadap cahaya akan menurun. b. Mekanisme Penyesuaian Gelap Seseorang masuk ke dalam ruangan gelap yang tadinya berada di ruangan terang, jumlah rhodopsin di dalam rod sangat sedikit sebagai akibat orang tersebut tidak dapat melihat obyek/benda di ruang gelap. Selama berada di ruangan gelap, pembentukan rhodopsin di dalam rod sangatlah perlahan-lahan, konsentrasi rhodopsin akan mencapai kadar yang cukup dalam beberapa menit berikutnya sehingga akhirnya rod akan terangsang oleh cahaya dalam waktu singkat. Selama penyesuaian gelap, kepekaan retina akan meningkat mencapai nilai 1.000 hanya dalam waktu beberapa menit saja. Kepekaan retina mencapai nilai 100.000, waktu yang diperlukan 1 jam. Sedangkan kepekaan retina akan menurun dari nilai 100.000 apabila seseorang dari ruangan gelap ke ruangan terang. Proses penurunan kepekaan retina hanya diperlukan waktu 1 sampai 10 menit. Penyesuaian gelap ini ternyata cone lebih cepat dari pada rod. Dalam waktu kira-kira 5 menit fovea sentralis telah mencapai tingkat kepekaan. Kemudian dilanjutkan penyesuaian gelap oleh rod sekiar 30 sampai 60 menit, rata-rata terjadi pada 15 menit pertama. 170 Fisika Kesehatan
7. Tanggap Warna Salah satu kemampuan mata adalah tanggap warna, namun mekanisme tanggap warna tersebut belum diketahui secara jelas. Tetapi dengan menggunakan pengamatan fotopik dapat melihat warna namun tidak dapat membedakan warna pada obyek yang letaknya jauh dari pusat medan penglihatan. a. Teori Tanggap Warna Kone berbeda dengan rod dalam beberapa hal, yaitu kone memberi jawaban yang selektif terhadap warna, kurang sensitif terhadap cahaya dan mempunyai hubungan dengan otak dalam kaitan ketajaman penglihatan dibandingkan dengan rod. Ahli faal Lamonov, Young Helmholtz berpendapat ada tiga tipe kone yang tanggap terhadap tiga warna pokok yaitu biru, hijau dan merah. 1) Kone biru, mempunyai kemampuan tanggap gelombang frekuensi cahaya antara 400-500 millimikron. Berarti cone biru dapat menerima cahaya ungu, biru dan hijau. 2) Kone hijau, berkemampuan menerima gelombang cahaya dengan frekuensi antara 450 dan 675 millimikron. Ini berarti cone hijau dapat mendeteksi warna biru, hijau, kuning, orange dan merah. 3) Kone merah, dapat mendeteksi seluruh panjang gelombang cahaya tetapi respon terhadap cahaya orange kemerahan sangat kuat dari pada warna-warna lainnya. Ketiga warna pokok (biru, hijau dan merah) disebut trikhromatik. b. Buta Warna Jika seseorang tidak mempunyai cone merah, ia masih dapat melihat warna hijau, kuning oranye dan warna merah dengan menggunakan cone hijau, tetapi tidak dapat membedakan secara tepat antara masing-masing warna tersebut oleh karena tidak mempunyai cone merah untuk kontras/membandingkan dengan cone hijau. Demikian pula jika seseorang kekurangan kone hijau, ia masih dapat melihat seluruh warna, tetapi tidak dapat membedakan antara warna hijau, kuning, oranye dan merah. Hal ini disebabkan cone hijau yang sedikit tidak mampu
Bio Optik 171
mengkontraskan dengan cone merah. Jadi tidak adanya cone merah atau hijau akan timbul kesukaran atau ketidak mampuan untuk membedakan warna antara warna merah dan hijau, keadaan ini disebut buta warna merah-hijau. Kasus yang jarang sekali, tetapi bisa jadi seseorang kekurangan cone biru, maka orang tersebut sukar membedakan warna ungu, biru dan hijau. Tipe buta warna ini disebut kelemahan biru (blue weakness). Pada suatu penelitian diperoleh 8% laki-laki buta warna, sedangkan 0,5% terdapat pada wanita dan dikatakan buta warna ini diturunkan oleh wanita. Ada pula orang buta terhadap warna merah disebut protanopia, buta terhadap warna hijau disebut deuteranopia dan buta warna terhadap warna biru disebut tritanopia. 8. Daya Akomodasi Dalam hal memfokuskan obyek pada retina, lensa mata memegang peranan penting. Kornea mempunyai fungsi memfokuskan obyek secara tepat, demikian pula bola mata yang berdiameter 20-23 mm. Kemampuan lensa mata untuk memfokuskan obyek disebut daya akomodasi. Selama mata melihat jauh, tidak terjadi akomodasi. Makin dekat benda yang dilihat, semakin kuat mata/ lensa berakomodasi. Daya akomodasi ini tergantung kepada umur. Usia makin tua daya akomodasi semakin menurun, hal ini disebabkan kekenyalan/elastisitas lensa semakin berkurang. Jika benda terlalu dekat ke mata, lensa mata tidak dapat memfokuskan cahaya pada retina dan bayangannya menjadi kabur. Titik terdekat di mana lensa mata memfokuskan suatu bayangan pada retina disebut titik dekat (punctum proksimum) . Pada saat ini mata berakomodasi sekuat-kuatnya (berakomodasi maksimum). Jarak dari mata ke titik dekat ini sangat beragam pada tiap orang dan berubah dengan meningkatnya usia. Pada usia 10 tahun, titik dekat dapat sedekat 7 cm, sementara pada usia 60 tahun titik dekat ini telah menjauh ke 200 cm karena kehilangan keluwesan lensa akibat elastisitas lensa semakin berkurang, disebut mata presbyop atau mata tua dan bukan merupakan cacat mata. Nilai standar yang diambil untuk titik dekat ini adalah 25 cm, dan dianggap sebagai mata normal. 172 Fisika Kesehatan
Jarak terjauh benda agar dapat dilihat dengan jelas, dikatakan benda terletak pada titik jauh (punctum remotum). Pada saat ini mata tidak berakomodasi/lepas akomodasi. 9. Jenis-jenis Mata dan Teknik Koreksi a. Mata Normal Sering disebut juga mata emetrop. Mata normal memiliki titik dekat 25 cm dan titik jauh tak terhingga. Apabila mata memiliki titik dekat tidak sama dengan 25 cm dan titik jauh tidak sama dengan tak terhingga, maka dikatakan sebagai cacat mata. Hal ini mengakibatkan mata sulit melihat benda yang jauh maupun dekat karena bayangan tidak jatuh tepat pada retina. R etina Lensa m ata
25 cm Gambar 8.11a Mata Normal Benda di Titik Dekat Bayangan Jatuh Tepat di Retina
R etina Lensa m ata
Tak terhingga Gambar 8.11.b Mata Normal Benda di Titik Jauh Bayangan Jatuh Tepat di Retina
Bio Optik 173
b. Rabun Jauh (miopi) Disebut juga mata terang dekat, memiliki titik dekat kurang dari 25 cm (< 25 cm) dan titik jauh pada jarak tertentu. Orang yang menderita miopi dapat melihat dengan jelas benda pada jarak 25 cm, tetapi tidak dapat melihat benda jauh dengan jelas. Hal ini terjadi karena lensa mata tidak dapat menjadi pipih sebagaimana mestinya sehingga bayangan benda jatuh di depan retina, disebabkan karena mata dibiasakan melihat benda dengan jarak dekat atau kurang dari 25 cm. Cacat mata ini dapat diatasi dengan memakai kaca mata berlensa cekung (minus). R etina Lensa m ata
Tak terhingga Gambar 8.12 Mata Miopi Bayangan Jatuh di Depan Retina
c. Rabun Dekat (Hipermetropi) Rabun dekat memiliki titik dekat lebih dari 25 cm (> 25 cm), dan titik jaunya pada jarak tak terhingga. Penderita rabun dekat dapat melihat jelas benda-benda yang sangat jauh tetapi tidak dapat melihat benda-benda dekat dengan jelas. Hal ini terjadi karena lensa mata tidak dapat menjadi cembung sebagai mana mestinya sehingga bayangan benda jatuh di belakang retina, disebabkan karena mata dibiasakan melihat benda yang jaraknya jauh. Cacat mata ini dapat diatasi dengan kaca mata berlensa cembung (plus).
174 Fisika Kesehatan
R etina Lensa m ata
Tidak Tak terhingga Gambar 8.13 Mata Hipermetropi Bayangan Jatuh di Belakang Retina
d. Mata Tua (Presbiopi) Jenis mata ini bukan termasuk cacat mata, disebabkan oleh daya akomodasi yang berkurang akibat bertambahnya usia. Letak titik dekat maupun titik jauh telah bergeser. Titik dekatnya lebih dari 25 cm dan titik jauhnya hanya berada pada jarak tertentu. Pada penderita presbiopi tidak dapat melihat benda jauh dengan jelas serta tidak dapat membaca pada jarak baca normal. Jenis mata ini dapat ditolong dengan kaca mata berlensa rangkap (minus di atas dan plus di bawah) yang disebut kaca mata bifocal. e. Astigmatisma Cacat mata ini disebabkan oleh kornea mata yang tidak berbentuk sferis, tapi lebih melengkung pada satu sisi dari pada sisi yang lain. Akibatnya sebuah titik akan difokuskan sebagai garis pendek. Penderita astigmatisma, dengan satu mata akan melihat garis dalam satu arah lebih jelas dari pada ke arah yang berlawanan. Penderita astigmatisma dapat diatasi dengan menggunakan kaca mata berlensa silindris.
Bio Optik 175
R etina Lensa m ata
Gambar 8.14 Mata astigmatisma, kornea menyerupai bentuk telur atau buah lemon yaitu berbentuk elips
f. Mata Campuran Penderita yang matanya sekaligus mengalami presbiopi dan miopi, maka memiliki titik dekat yang letaknya terlalu jauh dan titik jauh terlalu kecil, dapat ditolong dengan kaca mata berlensa rangkap atau bifocal (negatif di atas dan positif di bawah).
- oOo -
176 Fisika Kesehatan
BAB IX
ATOM D AN RADIASI DAN
A. Fisika Atom dan Radiasi
A
tom merupakan bagian terkecil suatu elemen yang mengambil bagian dalam suatu reaksi kimia; merupakan partikel netral dalam arti tidak mengandung kelebihan muatan positif maupun negatif. Jumlah muatan positif maupun negatif dalam atom selalu seimbang. 1. Model-model Atom Ada tiga model atom yang terkenal, yaitu: menurut J.J Thomson (1910), Ernest Rutherford (1911) dan Niels Bohr (1913). a. Model Atom Thomson: Thomson berpendapat bahwa atom bagaikan sebuah bola yang mengandung muatan positif tersebar secara merata di seluruh volume bola. Elektron-elektron yang bermuatan negatif berkeliaran di dalam bola yang bermuatan positif.
Gambar 9.1 Model atom Thomson
177
b. Model Atom Rutherford: Ernest Rutherford melukiskan tentang struktur atom bahwa bagian luar suatu atom dibatasi oleh elektron, sedangkan bagian tengah terdapat inti bermuatan positif. Oleh karena elektron bermuatan negatif sedangkan inti bermuatan positif, maka terdapat gaya tarik coulomb antara inti dan elektron.
Gambar 9.2 Model atom Rurherford
c. Model Atom Niels Bohr: Model atom Niels Bohr sama dengan yang dilukiskan Rutherford, hanya saja berbeda dalam hal gerakan dan lintasan elektron. Model ini menyatakah bahwa: 1) Elektron dalam gerakannya mengelilingi inti hanya mungkin apabila memiliki momentuk sudut sebesar:
L=n
h = nh 2π
(9.1)
n : bilangan kwantum dasar yaitu 1, 2, 3, 4, dan seterusnya. h : konstanta Planck 6,626 × 10-34 J s. 2) Elektron-elektron bergerak dalam lintasan stasioner tanpa mamancarkan energi 3) Elektron dapat pindah dari lintasan satu ke lintasan lain sambil memancarkan atau menyerap energi berupa gelombang elektromagnetik sebesar: (9.2) 178 Fisika Kesehatan
∆E = h
f
: perbedaan energi antara kedua lintasan : frekuensi gelombang elektromagnetis yang dipancarkan atau diserap.
Gambar 9.3 Model atom Bohr
2. Inti Atom dan Radioaktivitas ∆ EA Z X
Rutherford menunjukkan bahwa muatan positif atom terkumpul pada pusat atau inti atom. Apabila inti atom dianggap terdiri dari proton (muatan positif) saja, terdapat ketidak cocokan dengan berat atom, oleh karena berat atom akan menjadi kira-kira setengah dari berat atom yang diamati. Chadwik (1932) menemukan neutron yaitu suatu partikel yang beratnya sama dengan berat proton tetapi tidak bermuatan listrik. Dengan penemuan ini para ahli berpendapat bahwa inti atom terdiri dari sejumlah proton dan neutron. Jumlah proton (Z) sama dengan jumlah elektron mengelilingi inti. Jika jumlah neutron dinyatakan dengan N, maka seluruh nucleon (partikel inti) dapat dinyatakan sebagai berikut: A=Z+N
(9.3)
Inti suatu atom misalnya X, jumlah proton/elektronnya Z, dan jumlah nukleonnya A, maka inti atom X dapat dinyatakan: atau
A Z
X
Atom dan Radiasi 179
3. Bagian Atom dan Inti Atom Jumlah proton dalam inti atom menentukan nomer atom atau letak atom dalam sistem berkala unsur-unsur. Jumlah proton dan neutron dalam inti atom menentukan berat atom. Suatu jenis atom ditentukan oleh jumlah proton atau elektron (Z). Ada kalanya satu jenis atom memiliki jumlah neutron (N) yang berbeda. Inti atom dengan proton/elektron (Z) yang sama tetapi N berbeda, disebut isotop dari atom yang bersangkutan. Contohnya atom Hidrogen (1H1) mempunyai isotop deutrium (1H2) dan tritium (1H3), atom karbon mempunyai isotop 6C12 dan 6C14. Atom-atom dengan jumlah nukleon yang sama disebut isobar, misalnya 1H3 dengan 2H3. Sedangkan atom-atom dengan jumlah neutron yang sama disebut Isotone, misalnya 1H3 dengan 2He3. 4. Muatan Listrik dan Massa Bagian-bagian Atom Muatan elektron = 4,8 × 10-8 satuan elektron statis Massa 1 elektron = 0,0005 satuan massa atom = 9,110-28 gram Muatan 1 proton = 1 satuan massa atom = 1,6710-24 gram = 1.836massa 1 elektron. Muatan 1 neutron = 0 Muatan 1 neutron = massa 1 proton
B. Radioaktif Becquerel, pada tahun 1896 menemukan senyawa Uranium yang memancarkan sinar tak tampak yang dapat menembus bahan tidak tembus cahaya serta mempengaruhi emulsi fotografi. Pada tahun 1896 Marie Curie menunjukkan bahwa inti uranium dan banyak unsur lain bersifat memancarkan salah satu partikel alfa, beta atau gamma. Unsur inti atom yang mempunyai sifat memancarkan sinar-sinar alfa, beta atau gamma disebut inti radioaktif. 1. Sinar Alfa Merupakan partikel yang dipancarkan oleh sebuah inti yang terjadi dari 4 buah nucleon, yaitu 2 proton dan 2 neutron. Sinar alfa 180 Fisika Kesehatan
mempunyai daya tembus sangat kecil sehingga pemakaiannya sangat terbatas dalam radioterapi. Daya tembus sinar alfa dalam udara sejauh 4 cm, terhadap materi yang lebih padat daya tembusnya semakin kecil. Energi sinar alfa sebesar 5,3 MeV, apabila terjadi tumbukan dengan elektron, partikel alfa akan kehilangan energi sebesar 100 MeV. Pada waktu energi tinggal 1 MeV, partikel alfa menangkap 2 buah elektron sehingga menjadi atom Helium yang netral. Partikel alfa tidak mengalami pembelokan, hal ini disebabkan massa partikel alfa lebih besar dibandingkan dengan massa elektron. Elektron-elektron akan terpental pada waktu terjadi tumbukan dengan partikel alfa. Hubungan antara energi dan jarak tembus partikel alfa dapat dinyatakan dengan rumus: (9.4) E = energi dalam MeV (mega electron volt) R = Jarak tembus dalam cm 2. Sinar Beta R = 0,543E − 0,160 Sinar beta atau partikel beta merupakan partikel yang dilepas atau terbentuk pada suatu nucleon inti. Partikel beta ini dapat berupa elektron bermuatan negatif (negatron), elektron bermuatan positif (positron) atau elektron cuptur (penangkapan elektron). Besar energi partikel beta berkisar antara 0,01 MeV samapai 3 MeV. Jarak tembus partikel alfa kurang lebih seratus kali lebih jauh dari pada partikel beta. Partikel beta 1 MeV dapat menembus air 0,4 cm. Sinar beta juga menyebabkan atom-atom yang dilaluinya mengalami kenaikan tingkat energi (pengion). Partikel beta mudah dibedakan pada pertumbukan dengan elektron-elektron atom oleh karena massa partikel beta sangat kecil. Jarak tembus partikel beta positron (positif) hampir sama dengan jarak tembus partikel beta negatron (negatif). Positron dapat mendekati elektron atom sampai dekat sekali, bahkan bersatu dengan elektron itu dan berubah menjadi sinar gamma. Proses ini desebut Anihilasi. Hubungan anara energi maksimum partikel beta dan jarak tembusnya (secara empiris) dapat dinyatakan dengan rumus: (9.5) R = 0,543E − 0,160
Atom dan Radiasi 181
E = energi maksimum dalam MeV R = jarak tembus dalam satuan cm Sinar beta/partikel beta yang bermuatan negatif (negatron) berasal dari kulit atom. Apabila akselerasi di dalam pesawat seperti linear akselerator, maka partikel tersebut disebut elektron. 3. Neutron Merupakan partikel tidak bermuatan listrik yang dihasilkan dalam reakor nuklir. Neutron tidak menimbulkan ionisasi, namun mempunyai energi. Pengurangan energi neutron, terjadi melalui interaksi dengan inti atom. Proses pengurangan energi melalui: a. Peristiwa hamburan (scattering). b. Reaksi inti (masuknya neutron ke dalam inti sehingga terbentuk inti yang berisotop). c. Reaksi fisi (neutron diserap inti, akibatnya terbentuk 2 inti menengah dan beberapa neutron serta tenaga). d. Peluruhan (inti yang telah terbentuk dengan masuknya neutron akan melepaskan salah satu partikel alfa, proton, deuteron atau triton) Kebanyakan kehilangan energi neutron melalui hamburan. Neutron dipakai untuk pengobatan tumor otak. Apabila cairan Boron disuntikkan pada penderita tumor otak, akan terjadi konsentrasi boron yang tinggi dalam jaringan otak. Kemudian bila tumor dibombardir dengan neutron dari hasil reaktor atom, maka boron akan mengalami disintegrasi inti dan memancarkan sinar alfa yang dapat menghancurkan jaringan tumor. 4. Proton Ialah inti zat cair yang bermuatan positif. Dalam radioterapi proton dipakai untuk menghancurkan kelenjar hipofisis. 5. Sinar Gamma Terbentuknya sinar gamma merupakan hasil disintegrasi inti atom. Inti atom yang mengalami disintegrasi dengan memancarkan 182 Fisika Kesehatan
sinar alfa akan terbentuk inti-inti baru dengan memiliki tingkat energi yang agak tinggi. Kemudian terjadi proses transisi ke tingkat energi yang lebih rendah atau tingkat dasar sambil memancarkan sinar gamma. Sinar gamma sama halnya dengan sinar-X, termasuk gelombang elektromagnetis, jika sinar gamma menembus lapisan materi setebal x maka intensitas akan berkurang menurut persamaan: I = I0e− µX
(9.6)
I = Intensitas sinar gamma setelah menembus materi setebal x. I0 = Intensitas mula-mula dari sinar-X U = Koefisien penyerapan materi yang dilalui Tebal materi yang dapat menyerap sinar gamma sehingga intensitasnya tinggal setengah intensitas semula, dapat dinyatakan dengan rumus: t1/2 =
ln 2
µ
(9.10)
dan disebut Nilai lapisan Menengah “Half Value Layer” (HVL), dahulu digunakan istilah Half Value Thickness. 6. Sinar-X Merupakan sinar katoda dan termasuk gelombang elektromagnetis. Timbulnya sinar X oleh karena ada perbedaan potensial arus searah yang besar di antara kedua elektroda (katoda dan anoda) dalam sebuah tabung hampa. Berkas elektron akan dipancarkan dari katoda menuju anoda, pancaran elektron-elektron ini disebut sinar katoda atau sinar-X. Arus listrik yang digunakan untuk memanaskan filament sehingga filament dapat memanaskan elektron dapat memberi elektron; elektron-elektron ini akan dipercepat dari katoda ke anoda. Perbedaan tegangan antara katoda dan anoda dalam orde 20 KeV sampai 100 KeV. Dalam praktek klinik biasanya digunakan 80-90 KeV. Sinar X dan sinar Gamma mempunyai sifat yang sama oleh karena keduanya merupakan gelombang elektromagnetis.
Atom dan Radiasi 183
Sejak ditemukannya sinar X oleh W.C. Roentgen (sarjana fisika dari Universitas Wurzburg Jerman) banyak sarjana melakukan penelitian terhadap karakteristik sinar X. Dari hasil penelitian tersebut dapat diketahui bahwa karakteristik sinar X adalah: a. menghitamkan plat potret (film) b. mengionisasi gas c. menembus berbagai zat d. menimbulkan fluorosensi e. merusak jaringan.
C. Energi Absorbsi Pada penyinaran akan terjadi pemindahan atau penyerapan energi radiasi ke dalam materi atau jaringan tubuh yang disinari. Berdasarkan energi yang diserap maka dibagi dalam tiga proses absorbsi radiasi, yaitu: efek foto listrik, efek kompton dan pembentukan sepasang elektron (pair production). 1. Efek foto listrik Pada penyinaran cahaya terhadap suatu zat, energi radisai akan diserap seluruhnya. Energi yang diserap itu dipergunakan untuk mengeluarkan elektron dari ikatan inti kalau beberapa syarat tertentu telah terpenuhi. Misalkan W min adalah usaha minimum yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam, ini dinamai fungsi kerja logam. Misalkan foton dengan energi hf bertumbukan dengan elektron dan pada tumbukan ini mengarahkan seluruh energinya kepada elektron. Maka energi kinetik maksimum yang diperoleh elektron yang terbatas dari ikatan logam adalah: 1 2 m vm aks = hf − W m in 2
(9.11)
Persamaan ini dekenal sebagai persamaan Einstein untuk efek foto listrik. Peristiwa ini dialami elektron-elektron pada kulit bagian dalam, misalnya kulit K. Elektron yan dikeluarkan atau terpancar keluar dinamakan foto elektron. Proses pengeluaran elektron ini terjadi pada penyinaran dengan energi foton yang rendah kira-kira 50 KeV. 184 Fisika Kesehatan
Gambar 9.4 Sketsa alat untuk mengkaji efek elektromagnetik
Cahaya mengenai katoda C dan melepaskan elektron. Jumlah elektron yang mencapai anoda A diukur oleh arus dalam Ammeter. Anodanya dapat dibuat positif atau negatif terhadap katoda untuk menarik atau menolak elektron. 2. Efek Kompton Energi radiasi hanya sebagian saja diserap untuk mengeluarkan elektron dari atom (foto elektron), sedangkan sisa energi akan terpancar sebagai scattered radiation (hamburan radiasi) dengan energi yang lebih rendah daripada energi semula. Efek kompton terjadi pada elektron-elektron bebas atau terikat secara lemah pada lapisan kulit terluar, pada penyinaran dengan energi radiasi yang lebih tinggi yaitu berkisar 200-1000 KeV.
Atom dan Radiasi 185
Gambar 9.5 Hamburan Compton sinar X oleh elektron.
3. Pembentukan Sepasang Elektron (pair production) Adalah suatu proses pembentukan positron dan elektron melalui energi radiasi sinar gamma yang melebihi 1,02 MeV, yaitu energi massa positron + elektron. Proses ini terjadi apabila radiasi dengan energi yang sangat tinggi mendekati atau memasuki medan listrik atom/ inti. Energi radiasi ini akan berubah menjadi elektron dan positron. Ini sesuai dengan teori Einstein yang menyatakan bahwa energi ekivalen dengan massa dan dapat dilukiskan dengan persamaan: E = m c2
(9.12)
E = energi (erg) M = massa (gram) C = kecepatan gelombang elektromagnetis = 3 x 1010 cm/s. Proses terjadinya positron dan elektron (menjadi 2 sinar gamma) masing-masing dengan energi 0,51 MeV, dinamakan proses Annihilasi. Setelah kehilangan energi karena ionisasi sepanjang perjalanannya, positron bisa bergabung dengan sebuah elektron dan lenyap bersamasama dalam bentuk energi yang lain.
D. Ionisasi dan Jenis Radiasi 1. Ionisasi Energi radiasi dapat mengeluarkan elektron dari inti atom, sisa atom ini menjadi muatan positif dan disebut ion positif. Elektron yang 186 Fisika Kesehatan
dikeluarkan itu dapat tinggal bebas atau mengikat atom netral lainnya dan membentuk ion negatif. Peristiwa pembentukan ion positif dan ion negatif ini dinamkan ionisasi. Ionisasi ini penting sekali diketahui oleh karena melalui proses ini jaringan tubuh akan mengalami kelainan atau kerusakan pada sel-sel tubuh. Ionisasi di udara dapat digunakan sebagai dasar sistem pengukuran dosis radiasi. 2. Jenis Radiasi Tidak semua radiasi dapat menimbulkan radiasi. Berdasarkan ada tidaknya ionisasi, maka radiasi dibagi dalam 2 kategori, yaitu: a. Radiasi yang tidak menimbulkan ionisasi, jenis gelombang atau sinar-sinarnya adalah: 1) Sinar ungu ultra 2) Sinar merah infra 3) Gelombang ultrasonik jenis gelombang atau sinar-sinar ini biasanya dipakai pada bagian/unit pusat rehabilitasi dan tidak digunakan di bagian radioterapi, kecuali gelombang ultrasonik dipakai di unit rontgen untuk tujuan diagnostik. b. Radiasi yang dapat menimbulkan ionisasi, jenis gelombang atau sinar-sinarnya adalah: 1) Sinar alfa 2) Sinar beta 3) Sinar gamma 4) Sinar-X 5) Proton
E. Energi Radiasi Radiasi mempunyai energi. Menurut Max Planck (1900), pertukaran energi antara radiasi dan meteri tidak terjadi secara kontinyu, melainkan berlangsung melalui satuan energi yang disebut kwantum. Kwantum energi radiasi (E) suatu gelombang elektromagnetis (sinar gamma dan sinar X) sama dengan konstanta dikalikan dengan frekuensi radiasi, dapat dinyatakan dalam persamaan (9.13) :
Atom dan Radiasi 187
E erg = h × f
(9.13)
Eerg = energi radiasi dalam erg h = konstanta Planck = 6,6210-27 erg detik f = frekuensi radiasi (Hz) dan f =
C
, λ C = kecepatan gelombang elektromagnetis = 31010 cm/s λ = panjang gelombang (cm)
F. Radiasi Pengion Terhadap Sistem Biologik Yang dimaksud dengan radiasi pengion adalah radisi sinar-X atau sinar gamma. Untuk mengetahui efek radiasi pengion ini perlu mengetahui beberapa satuan yang digunakan dalam radiasi. 1. Satuan Dosis dalam Radiasi Pengion Mula-mula dosis yang digunakan dalam radiasi pengion adalah dosis erithema, yaitu banyaknya radiasi sinar-X yang menyebabkan kulit kemerahan. Starting (1939) melakukan radiasi terhadap penderita kemudian diukur dalam satuan Roegen disingkat r, kurang lebih tahun 1960 r diganti dengan roentgen (R). Roentgen (R) adalah satuan dari pada banyaknya radiasi (unit of exposure). Definisi 1 Roentgen adalah: banyaknya radiasi sinar-X atau sinar gamma yang menimbulkan ionisasi di udara pada 0,001293 gram udara sebanyak satu-satuan muatan elektrostatis. Radiasi sinar-X maupun sinar gamma yang mengenai suatu areal tertentu dikenal dengan nama satuan rap (roentgen area product), di mana rap sama dengan radiasi 100 R pada setiap cm2, maka: 1 rap = 100 Rcm2. Satuan Roentgen ini hanya berdasarkan ionisasi yang terjadi di udara dan hanya berlaku bagi sinar-X dan sinar gamma saja serta tidak menunjukkan jumlah banyaknya absorbsi bagi sembarang radiasi.
188 Fisika Kesehatan
Satu rad didefinisikan sebagai dosis penyerapan energi radiasi sebanyak 100 erg bagi setiap gram benda/jaringan. 1 rad = 100 erg/g = 0,01 Joule/Kg jaringan. Untuk sinar-X dan sinar gamma, dosis sebesar 1 rad hampir sama dengan dosis 1 R per gram air dan akan memeberikan dosis rad yang lebih besar, misalnya 1 R sinar-X pada tulang = 4 rad. Untuk energi radiasi yang tinggi pada penggunaan radioterapi perbandingan antara rad dan Roentgen mendekati 1 baik untuk tulang maupun untuk jaringan. Pada tahun 1975, International Commission on Radiological Unit (ICRU) memakai Gray (Gy) sebagai dosis satuan Internasional (SI). Pemakaian satuan Gy ini untuk menghormati tuan Harold Gray, seorang ahli fisika kedokteran berkebangsaan Inggris yang menemukan efek Oksigen pad sel-sel yang diiradiasikan. Satu Gy adalah dosis radiasi apa saja yang menyebabkan penyerapan energi 1 joule pada 1 Kg zat penyerap, maka: 1 Gy = 1 J/Kg = 107 erg/Kg = 100 rad. Hubungan antara rad dan Roentgen adalah: Rad = R0,87F F
= faktor yang nilainya tergantung pada energi radiasi.
Selain satuan rad, Roentgen (R), rap dan Gy, ada pula satuan lain yang lebih menekankan pada efek biologis dari pada radiasi pengion, yaitu RBE (Relative Biological Effectiveness) dan Rem (rad Equivalent Man) dan Reb (Rad Equivalent Biological). a. RBE (Relative Bilogical Effectiveness) Berbagai radiasi memberikan efek biologis yang tidak sama. Dengan perkataan lain berbagai radiasi mempunyai RBE yang berlainan. Definisi RBE ialah perbandingan dosis sinar-X 250 KV dengan dosis radiasi lain yang memberikan efek biologis yang sama, atau: RBE = dosis sinar-X, 250 KV yang memberikan efek biologis tertentu/ dosis suatu radisi lain yang memberikan efek biologis yang sama.
Atom dan Radiasi 189
Misalnya efek biologis dari 100 rad suatu radiasi sama dengan 300 rad 250 KV sinar-X, maka RBE suatu radiasi adalah 3. b. REM (Rad Equivalent Man) Merupakan suatu unit untuk menyatakan banyaknya ekivalen dosis. Ekivalen dosis didefinisikan sebagai = radfactor kualitas dari radiasi, sedangkn faktor kualitas berkaitan dengan RBE, maka: Dosis dalam REM = dosis dalam radRBE Satuan REM dipakai pada proteksi radiasi sedangkan RBE pada radioterapi.
F. Efek Biologis yang Timbul oleh Radiasi Pengion Radioterapi dengan sinar-X, sinar gamma atau partikel isotop radioaktif pada hakikatnya tergantung pada energi yang diabsorbsi baik secara efek fotoelektris maupun efek kompton yang menimbulkan ionisasi pada jaringan. Akibat dari radiasi pengion ini dinamakan efek biologis. Efek biologis dibagi menjadi 2: efek somatis dan efek genetic. Pembagian efek somatis maupun efek genetis berdasarkan atas kerusakan sel jaringan yang ditimbulkan oleh radiasi pengion tersebut. Di dalam sel akan terjadi 2 efek yang merusak, yaitu efek ionisasi dan efek biokimia. Pada efek ionisasi: pada sel-sel terionisasi akan memancarkan elektron pada struktur ikatan kimia dengan akibat terpecahnya molekul-molekul dari sel sehingga terjadi kerusakan sel. Pada efek biokimia: karena jaringan sebagian besar terdiri dari air, radiasi pengion akan menyebabkan molekul-molekul molekul air terpecah menjadi ion H+ dan OH-, serta atom-atom netral J dan OH (faseradical), yang sangat mudah mengalami reaksi kimia. Molekul-molekul yang jaringan yang terpecah ini akan menyebabkan terjadinya kerusakan jaringan. Dalam efek somatis ini, besarnya energi yang diabsorbsi berkaitan dengan respon/sensitivitas jaringan terhadap radiasi. Urutan menurun sensitivitas jaringan terhadap radiasi adalah : sumsum tulang dan sistem hemopoetik, jaringan alat kelamin, jaringan alat pencernaan, kulit, jaringan ikat, jaringan kelenjar, tulang, otot dan urat saraf. Pada efek somatic, yang ditimbulkan oleh radiasi pengion terutama terlihat kelainan pada tubuh, yaitu: 190 Fisika Kesehatan
1. Terhadap kulit: Timbul dermatitis akut, dermatitis khronika dan late effect daripada dermatitis akuta. 2. Terhadap mata: menimbulkan konjungtivitis dan keratitis. Lensa mata sangat radiosensitive, sehingga penyinaran 400-500 rad menimbulkan katarak. 3. Terhadap alat kelamin: Dosis 600 rad menimbulkan sterilisasi (testis lebih sensitive dari pada ovum). Pada dosis rendah dapat menimbulkan mutasi gen dan kelainan pada keturunan. Sedangkan pada wanita hamil akan terjadi kematian foetus atau menimbulkan anomaly/kelainan. 4. Terhadap paru-paru: menimbulkan batuk, sesak nafas dan nyeri dada serta fibrosis paru-paru. 5. Terhadap tulang: menimbulkan gangguan pertumbuhan tulang serta osteoporosis. 6. Terhadap saraf: timbul myelitis dan degenerasi jaringan otak 7. Penyakit radiasi: demam, rasa lemah, kurang nafsu makan, nausea (mual), nyeri kepala dan mudah mencret. 8. Efek genetic: terjadi mutasi gen diperkirakan pada dosis 25-150 rem.
G. Terapi Radiasi Prinsip dasar terapi radiasi adalah menimbulkan kerusakan pada jaringan tumor sebesar mungkin, dengan kerusakan seminimal mungkin pada jaringan normal di sekitar tumor. Hal ini dapat dicapai dengan penyinaran langsung pada tumor dari berbagai arah, sehingga diperoleh dosis maksimum pada tumor tersebut. Dalam melakukan terapi radiasi perlu memperhatikan faktor-faktor sebagai berikut: 1. Jenis radiasi: Sinar X voltage, uranium, radium, 60Co, dan sebagainya. 2. Jenis sel: sel-sel embrional atau bukan. 3. Lingkungan sel: apakah terjamin adanya penyaluran darah di sekitar sel tersebut atau tidak. 4. RBE RBE sangat tinggi (lebih dari satu) mempunyai kemampuan mematikan sel lebih besar. 1. Perencanaan Terapi Radiasi Sebelum dilakukan terapi radiasi perlu adanya perencanaan yang baik sehingga dalam pelaksanaan terapi radiasi dapat memberikan
Atom dan Radiasi 191
hasil sesuai dengan yang diharapkan. Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam perencanaan terapi radiasi adalah: a. Menetapkan letak dan luas tumor b. Teknik penyinaran dan distribusi dosis c. Toleransi jaringan. a. Menetapkan letak dan luas tumor Tumor yang dangkal dapat diraba sehingga mudah menentukan luas tumor. Untuk tumor yang letaknya di dalam tubuh perlu dibuat foto Roentgen agar dapat menentukan letak dan luas tumor sehingga arah penyinaran dapat ditentukan. Penentuan letak tumor ini sangat menentukan jenis energi radiasi yang akan digunakan. Tumor-tumor yang letaknya pada kulit dapat disinari dengan voltage rendah atau menengah, sedangkan yang terletak di bawah kulit menggunakan voltage tinggi dan yang terletak jauh di bawah kulit seperti ovarium, bronchus dan oesafogus perlu malakukan terapi super voltage. Klasifikasi radioterapi adalah sebagai berikut : 1) Terapi voltage rendah : 50 KV 2) Terapi voltage menengah : 100-140 KV 3) Terapi voltage tinggi : 200-400 KV 4) Terapi super voltage : >>1000 KV Energi radiasi berbanding langsung dengan voltage, makin tinggi energi suatu radiasi makin besar pula daya tembusnya. b. Teknik penyinaran dan distribusi dosis Teknik penyinaran sangat penting oleh karena sangat berkaitan dengan distribusi dosis pada tumor. Melalui teknik penyinaran yang baik, distribusi dosis pada tumor dapat merata dan lebih tinggi dari pada dosis jaringan sekitarnya. Berdasarkan letak tumor maka teknik penyinaran dibagi dalam: 1) Menggunakan satu lapangan, digunakan untuk tumor yang tidak dalam, kira-kira 2-3 cm di bawah kulit. 2). Menggunakan beberapa lapangan atau terapi dengan tehnik 192 Fisika Kesehatan
rotasi, biasanya dikerjakan pada tumor yang letaknya dalam di bawah kulit. Berdasarkan distribusi dosis yang hendak dicapai maka teknik penyinaran di bagian dalam dapat dilakukan dengan beberapa teknik, yaitu: a). Teknik terapi lapangan tetap (Fixed Field Therapy), digunakan agar tumor mendapat dosis yang merata dan lebih tinggi dari pada jaringan tumor. Yang tergolong dalam teknik terapi lapangan tetap adalah: Satu lapangan, untuk tumor yang letaknya dangkal Dua lapangan dengan menggunakan: (1) Cross fire technic, sinar difokuskan pada suatu titik di bawah tumor agar dosis maksimum jatuh pada tumor karena dosisi maksimum terletak di atas titik tersebut. (2) Teknik tangensial, dipakai pada penyinaran suatu tumor dengan tujuan agar jaringan di bawah tumor mandapat radiasi sedikit mungkin. Misalnya penyinaran karsinoma (kanker mamma), jaringan paru-paru di bawahnya sedikit mendapatkan radiasi. Tiga lapangan berhadap-hadapan (opposing field), digunakan untuk mendapatkan dosis maksimum pada tumor dengan mempergunakan tiga lapangan yang berhadap-hadapan. Misalnya pada penyinaran karsinoma (kanker oesofagus). b) Teknik rotasi, dapat dikerjakan pada sudut 120o, 180o dan 360o. Untuk sudut kurang dari 360o prosentase dosis maksimumnya tidak lagi terdapat pada titik pusat rotasi melainkan akan berpindah ke arah sinar datang dan terletak di sebelah atas titik pusat rotasi, sehingga tumor harus berada di sebelah atas titik pusat rotasi. Dari pembahasan di atas, dapat diketahui bahwa prosentase maupun distribusi radiasi sangat tergantung pada ukuran lapangan penyinaran, besar sudut rotasi, dan bentuk permukaan bagian tubuh yang mendapat penyinaran.
Atom dan Radiasi 193
c. Toleransi jaringan sehat Batas toleransi jaringan sehat harus diperhatikan pula pada penyinaran untuk menghindari terjadinya dosis yang berlebihan atau radionekrosis (kematian sel karena sinar radiologi) pada jaringan sehat. Semakin kecil lapangan penyinaran, maka toleransi jaringan semakin tinggi, begitu juga sebaliknya. 2. Metode Radioterapi Ada tiga metode radioterapi, yaitu: a. Radioterapi jarak jauh (Megavoltage therapy) menggunakan sinarX dengan super voltage (megavoltage) di mana sumber radiasi berada di luar tubuh. b. Radioterapi jarak dekat (Brachy therapy), menggunkan radium atau gas radon radioaktif di mana sumber radiasi terletak di permukaan atau di tanamkan di dalam tumor dalam bentuk biji-biji material. c. Penggunaan radioisotope untuk terapi secara sistemik dalam tubuh, menggunakan zat radioaktif yang mengikuti dalam peredaran darah dan akan mencapai sasaran yang akan dituju. Isotop 131I digunakan untuk pengobatan kanker thyroid, sedangkan suatu emmisi beta yang murni dari 32P untuk pengobatan polisitemia vera (kelebihan sel darah merah) sehingga dapat mengurangi produksi sel darah merah. 3. Proteksi Radiasi Pada bagaian depan telah dibahas akan bahaya radiasi sinar-X maupun sinar gamma dari zat radium yang dapat menimbulkan kerusakan pada jaringan tubuh. Untuk menghindari efek-efek yang merugikan tubuh manusia dan makhluk biologis yang diakibatkan oleh radiasi pengion, perlu dilakukan tindakan perlindungan (proteksi) terhadap radiasi. Tentu saja dalam menerima radiasi ada batas-batas tertentu yang masih dpat ditolerir oleh berbagai jaringan, misal tangan dan kaki boleh menerima lebih banyak radiasi daripada organ gonad dan lensa mata yang sangat peka/sensitif terhadap radiasi.
194 Fisika Kesehatan
Efek kronis dari radiasi dapat timbul beberapa tahun kemudian. Misal kanker kulit atau kanker darah (leukemia) timbul setelah 10-20 tahun kemudian akibat suatu occupational exposure (pekerjaan penyinaran). Salah satu usaha yang dilakukan oleh International Commission on Radiological Protection (ICRP) untuk menghindari bahaya radiasi maka ditentukan suatu dosis maksimum yang dapat diperkenankan sebagai pedoman dalam proteksi radiasi, yaitu Maximum Permissible Dose (MPD). Nilai MPD ini telah beberapa kali mengalami perubahan. Oleh karena proteksi radiasi tidak saja ditinjau dari saudut efek somatis saja, tetapi juga efek genetis. Dosis maksimum yang diperkenankan bagi pekerja radiasi berbeda dengan masyarakat umum. Bagi masyarakat umum tidak lagi memakai MPD, akan tetapi diganti dengan dosis limit (batas dosis). Maksud dari pemakaian dosis limit ini untuk memperoleh standarisasi dalam pelaksanaan proteksi pada pemakaian sumber-sumber radiasi sehingga masyarakat tidak mungkin mendapatkan radiasi yang membahayakan. Nilai batas dosis untuk masyarakat ialah 1/10 dari pada MPD bagi pekerja radiasi.
Pekerja Radiasi
MPD
Seluruh tubuh, sumsum, tulang kelenjar 5 rem dalam 1 tahun atau 3 rem dalam 3 bulan.yang DosisDiperkenankan seluruhnya kelamin Tabel 9.1 Dosis Maksimum tidak melebihi 5 rem (N-18) rem. Bagi Pekerja Radiasi N=umur 30 rem dalam 1 tahun Kulit, tulang dan kelenjar thyroid Tangan lengan bagian bawah dan pangkal 75 rem dalam 1 tahun kaki 15 rem dalam 1 tahun Bagian lain dari tubuh
Atom dan Radiasi 195
Tabel 9.2 Batas Dosis Maksimum yang Diperkenankan Bagi Masyarakat Pekerja Radiasi Seluruh tubuh, sumsum, tulang kelenjar kelamin Kulit, tulang dan kelenjar thyroid Tangan lengan bagian bawah dan pangkal kaki Bagian lain dari tubuh
MPD 0,5 rem dalam 1 tahun atau 0,3 rem dalam 3 bulan 3 rem dalam 1 tahun, anak-anak dibawah umur 16 tahun : 1,5 rem/tahun untuk kelenjar thyroid. 7,5 rem dalam 1 taun 1,5 rem dalam 1 tahun
Proteksi radiasi bagi orang-orang yang berhubungan langsung dengan sumber pengion dibagi dalam beberapa golongan, yaitu: a. Proteksi radiasi terhadap penderita dengan terapi radiasi Pada terapi dosis tertentu yang diberikan kepada penderita, jaringan sehat sekitarnya perlu mendapat perlindungan sebaikbaiknya. Pada penyinaran sekitar mata, mata harus mendapat perlindungan dengan menggunakan timah hitam lead eye shield agar lensa mata terhindar dari kerusakan. Pada penyinaran tumor yang tidak ganas dan terhadap anak-anak perlu hati-hati dengan jumlah dosis yang deberikan, tidak diperkenankan dilakukan berulang kali penyinaran oleh karena radiasi bersifat karsinogen/penyebab kanker. b. Proteksi terhadap Pekerja Diagnostik Radiologi Pekerja diagnostik radiologi umumnya mendapat radiasi dari tabung sinar-X. Untuk menghindari radiasi dari sinar-X dapat dibuat sekecil mungkin 50% tanpa mengganggu informasi medis yang diperlukan. Faktor yang perlu diperhatikan dalam proteksi terhadap pekerja adalah: 1) filter/filtration, penyaringan/filter sangat berguna untuk mengurangi intensitas sinar-X yang dihasilkan oleh tabung sinar-X. Umumnya setiap unit sinar-X harus mempunyai filter Al setebal 3mm, jika tidak maka energi rendah sinar-X yang seharusnya dihilangkan oleh filter akan mencapai pada tubuh, sehingga tubuh akan lebih banyak menerima radiasi yang tidak diperlukan. 196 Fisika Kesehatan
2) Kollimator, merupakan suatu cela yang befungsi mengatur luas (area) dari berkas sinar-X yang diperlukan. Menurut NEXT (Nationwide Evaluation of X ray Trends), perbandingan antara luas berkas sinar dengan luas lempeng film yang ideal adalah lebih kecil dari satu. Oleh sbab itu untuk proteksi radiasi, kollimator harus diatur agar berkas sinar-X yang diterima oleh tubuh secukupnya saja. 3) Kualitas film, apabila digunakan kualitas film yang kurang sensitif akan diperoleh gambaran yang kurang jelas sehingga diperlukan sinar-X yang lebih keras agar diperoleh gambaran yang jelas, hal ini dapat menimbulkan radiasi semakin besar. 4) Distribusi dari hasil luas penyinaran, ini dapat diperoleh dengan mengukur total radiasi pada penderita. Hasil luas penyinaran berkaitan dengan perkalian penyinaran dalam Roentgen dan luas penyinaran dalam cm2 (Rap). Selain apa yang disebut di atas, setiap pegawai yang berkecimpung dengan sinar-X maupun operator harus memakai led apron dan berdiri di belakang dari arah sinar. Harus memakai film badge sehingga jumlah dosis yang diterima dapat diketahui dan apabila ada kesalahan dan kelainan dalam proteksi dapat segera diselidiki. Petugas dilarang memegang tabung radium atau jarum radium dengan tangan, melainkan harus menggunakan alat pemegang khusus yaitu long handled forcep. Tidak diperkenankan menggunakan sarung tangan berlapis timah hitam pada waktu bekerja dengan radium oleh karena sinar gamma hasil pancaran radium dengan mudah dapat menembusnya. Menurut hukum kuadrat terbalik Invers Square Law: “dosis radiasi berbanding langsung dengan jumlah radium serta lamanya waktu bekerja dan berbanding terbalik dengan jarak dari radium”. Hukum ini berlaku bagi mereka yang menggunakan radium untuk radiasi. Terapi pada penderita dengan terapi internal radiation yaitu yang menggunakan radioisotope yang dimasukkan ke dalam tubuh yang sakit.
Atom dan Radiasi 197
Tindakan/usaha yang perlu dilakukan untuk mencegah radiasi terhadap petugas meliputi: a). Penderita harus tinggal dalam satu ruangan khusus. b). Perawat jangan terlalu lama berdekatan dengan sumber radiasi. c). Pada waktu membersihkan penderita, jangan terlalu dekat dengan sumber radiasi. d). Mengenakan pakaian pelindung. e). Pasien-pasien yang secara permanen/menetap ditanamkan bahan radioaktif ke dalam tubuhnya, atau yang menerima dosis terapi 131I harus berada di rumah sakit sampai intensitas radiasi di sekitar pasien tersebut mencapai tingkat keselamatan. f). Kotoran penderita harus ditampung pada suatu tempat dan dibuang pada tempat tertentu.
- oOo -
198 Fisika Kesehatan
DAFT AR PUST AKA AFTAR PUSTAKA Alvin, H., 1998, 3000 Solved Problem in Physics, New York: Mc Graw-Hill Book Company. Brown, M.E., 1999, Theory and Problems of Physics Engineering and Sciences, New York: Mc Graw-Hill, Inc. Cameron, J.R., Skofronick, J.G., 1978, Medical Physics, Newyork: John Wiley & Sons Inc. Claytons and Scott, Pauline M., 1975, Elektro Theraphy and Actino Theraphy, Seventh Edition, London : Bailliera Tindall. Cromer A.H., 1977, Physics for the Life Sciences, United States of America: Mc Graw-Hill Book Company. Devereaux M.D., Parr G., Hazleman B.L., 1985, Thermogarphy in Reumatology Therapeia, Vol. IV Gabriel, J.F., 1996, Fisika Kedokteran, Jakarta: EGC. Giancoli D.C., 2001, Fisika, Alih Bahasa Yuhilza Hanum, edisi kelima, Jakarta: Erlangga. Guyton M.D, Arthur C., 1964, Function of the Human Body, Philadelpia and London: Saunders Company, Second edition. Hickman, R, and Canon, M.(1995). Nursing science matter: Matter and Energy in the Human Body. Melbourne: Mac Milla Education Australia. Hilyard N.C., Biggin H.C., 1977, Physics for Applied Biologists, 25 Hill Street: Edward Arnold (Publisher). 199
Johanes H., 1980, Bahan Kuliah Thermodinamika, Yogyakarta: UGM. Kanginan M, 2002, Fisika 1A Untuk SMA Kelas X, Jakarta: Erlangga. Mac Donald, Simon G.G., Burns D.M., 1975, Physics for the Life and Health Sciences, Phillippinens: Adison Wesley Publishing Company. Richardsons I.W, 1972, Neergaard E.B, Physics for Biology and Medicine, Wiley & Sons Ltd. Ryan, B and Pedder, M. (1990). Basic Science for Nurse. Sydney: Mc Graw Hill Book Co. Sears F.W and Zemansky M.W, 1954, Physics for Univeresity Cambridge Surway, R.A. dan Faughn, J.S., 1999, College Physics, USA: Harcourt Brace College Publisher. Sutedjo, 2005, Fisika Teknologi dan Industri, Bogor:Yudhistira Tippler P.A., 1998, Fisika Untuk Sains dan Teknik, Alih Bahasa Lea Prasetio & Rahmad W.A., edisi ketiga, Jakarta: Erlangga. Toifur M., 2001, Fisika-3 (untuk Mahasiswa Teknik), UAD Press, Yogyakarta
- oOo -
200 Fisika Kesehatan
