biomekanika fisika

Biomekanika

By Jelita S. H. Hinonaung

050114012

1. Pendahuluan

dua bidang yang termasuk dalam fisika kedokteran:

1. bidang kedokteran

2. bidang fisika

Fisika kedokteran berperan dalam 2 hal

1. Menentukan FX tubuh meliputi kesehatan & penyakit

2. Dalam praktek kedokteran meliputi pengetahuan alat dlm bidang kedokteran yaitu ultrasonik, laser, radiasi, dsb.

2. Pengukuran

Dasar utama fisika yaitu pengukuran kwantitatif

pengukuran kwantitatif ini adalah sistem satuan internasional atau di disingkat SI

2.1 proses pengukuran

Pengukuran fisik di bagi 2 group :

a. Proses pengukuran pengulangan.

melibatkan pengulangan perdetik, permenit, dsb. Cnth: denyut nadi 70/menit

a. Proses pengukuran yang tidak berulang. Cnth : ukur substansi asing yg di keluarkan o/ ginjal

2.2 false positif & f. negatif

False positif a/ penyimpangan yg terjdi dmana penderita dinyatakan menderita penyakit pdhal tidak

False negatif a/ penyimpangan yg terjdi dmana penderita dinyatakan tidak sakit padahal sakit

Untuk menghindari/ mengurangi false positif atau f. negatif

Dlm pengambilan keputusan Pengulangan pengukuran Pengunaan alat2 yg dpt di percaya Kaliberasi sepatutnya terhadap alat2

3. Tabel Satuan internasional

Kuantitas Satuan singkatan

PanjangMassaWaktuArusTemperaturIntensitas luminasi

MeterKilogramDetikAmpereKelvincandela

M

Kg

Sec

A

K

cd

Tabel turunan satuan internasional

kuantitas satuan Singkatan dimensi

GayaTekananEnergiTenagaTorque

Newton

Pascal

Youle

Watt

Meter-newton

N

Pa.N/m2

j.Nm

W.J/sec

r.mN

Kgm/sec2

Kg/m sec2

Kgm2/sec2

Kgm2/sec3

Kgm2/sec2

Tabel turunan satuan internasional

Kuantitas Satuan Singkatan Dimensi

Elektrik charge Potensial listrikTahanan listrikKapasitasInduktan

Coulomb

Volt

Ohm

Farad

Henry

C

V.J/c

V/A

F, C/V, c2/J

H, J/A2,sec

A Sec

Kgm2/sec3 A

Kgm2/sec3 A2

Sec4A2/Kgm2

Kgm2/sec2 A2

Tabel turunan satuan internasional

Kuantitas Satuan Singkatan Dimensi

Fluks magnetikIntensitas magnetisFrekwensiDisintegrasi rateDosis absorpsi

Weber

Testa

Hertz

Becquerel

Gray

Wb, J/A, Vsec

T,Wb/m2,Vsec/m2

Hz

Bq

Gy, J/ Kg

Kgm2/sec2 A

Kg/sec2 A

Sec -1

Sec -1

M2/sec2

Tabel Non SIKuantitas Satuan Singkatan

Massa PanjangVolume WaktuGaya

Energi

Gram

Foot,centimeter

Liter

Menit

Dyne

pound force

Kalori

Kilokalori

g

ft, Cm

-

min

-

Lbf

Cal

Kcal

Tabel Non SIKuantitas Satuan Singkatan Tenaga

Tekanan

Temperatur

Kilokalori/ menit

Pound/inch2

Milimeter merkuri

Sentimeter air

Atmosfir

Fahrenheit

Celsius

Kcal/min

Psi

mmHg

Cm H2O

atm

F

C

Standar manusia menggunakan sistem SI, turunan SI, & non SI

Umur 30 tahun

Berat badanTinggi badan Massa Luas permukaanTemperatur tubuh

690 N (154 Lb)

172 cm

70 Kg

1, 85 m2

37,0 0C

Standar manusia menggunakan sistem SI, turunan SI, & non SI

Umur 30 tahun

Temperatur PanasKapasitas panasBasal metbolismeKebutuhan O2

Produksi CO2

34, 0 0c

0, 86 Kcal/ Kg C

38 Kcal/ m2 hr

260 ml/min

208 ml/min

Standar manusia menggunakan sistem SI, turunan SI, & non SI

Umur 30 tahun

Volume darahCardiac out putTekanan darahHeart rateTotal lung capasity

5,2 Liter

5 Liter/ menit

120/ 80 mm Hg

70 beat/min

6 liter

Standar manusia menggunakan sistem SI, turunan SI, & non SI

Umur 30 tahun

Vital capasityTidal capasityDead spaceBreathing rateMuscle mass

Faat mass

4,8 Liter

0,5 Liter

0,15 Liter

15/min

30.000 g (43% dari massa badan)

10.000 g (14% dari massa badan)

Hukum dasar dalam mekanika

Dalam biomekanika memakai hukum dasar yang dirumuskan oleh Isaac Newton (1964-1727) untuk mempelajari gerakan mekanika pada manusia & hewan.

Hukum Newton Pertama

berbunyi: setiap objek berlangsung dlm keadaan istirahat atau gerakan yg sama pd suatu garis lurus. Kecuali benda itu di paksa untuk berubah oleh gaya yg bekerja pdanya.

Dipakai utk mengukur suatu pengamatan

Hukum Newton Kedua

Apabila ada gaya yg bekerja pd suatu benda maka benda akan mengalami suatu percepatan yg arahnya sama dgn arah gaya. Percepatan (a) dan gaya (f) adlh sebanding dlm besaran.

Rumus

Keterangan M= massa benda (kg) A= percepatan (mS-2) F= Kg mS-2

F = m. a

Hukum newton ketiga

Berbunyi: untuk setiap aksi, selalu ada reaksi yang arahnya berlawanan.

R

B

F

A

Gaya pada tubuh dan di didalam tubuh

Gaya merupakan suatu konsep umum yang dapat di rasakan secara intuisi bagi kawan atau seorang insinyur.

Gaya yang bekerja pada tubuh manusia di bagi alam 2 tipe

1. Gaya pada tubuh dalam keadaan statis

2. Gaya pada tubuh dalam keadaan dinamis

Gaya pada tubuh dalam keadaan statis

Sistem otot dan tulang dari tubuh manusia bekerja sebagai pengumpul

3 macam sistem pengumpul dlm tubuh manusia;

1 klas pertama sistem pengumpul

2 klas ke-2 sistem pengumpul

3 klas ke-3 sistem pengumpul

Klas pertama sistem pengumpil

Titik tumpuan terletak di antara gaya berat dan gaya otot w

ket;0=titik

tumpuanW= gaya

beratM= gaya otot

M

Klas kedua sistem pengumpil

Gaya berat di antara titik tumpuan dan gaya otot.

M W

Ket O= titik tumpuan W= gaya berat o M= gaya otot

Klas ketiga sistem pengumpil

Gaya otot terletak di antara titik tumpuan dan gaya berat.

M

Ket o wO=titik tumpuanW=gaya beratM=gaya otot

Keuntungan mekanik

Di definikan sebagai perbandingan antara gaya otot dan gaya berat.

Iw Im

0

Gaya berat gaya otot (w) (M)

Rumus

Keuntungan mekanika

K.M = M = IwW Im

Analisa gaya dan kegunaan klinik

Gaya vertikal

Apabila seseorang berdiri di atas suatu benda, maka orang tsb memberi gaya di atas benda tsb, sdngkan benda tsb akan memberi gaya reaksi yang besarnya = gaya yg diberikan orang itu

Gbr. Gaya vertikal

Gaya horisontal

Dua gaya yg bekerja pd sebuah benda dgn arah yg sma, maka total gaya yg diperoleh sebesar

F1 F2

S=F1 + F2

Lanjutan…..

Bila dua gaya yg bekerja pd sebuah benda dgn arah yg berlawanan, maka total gaya sebesar selisih gaya I dan gaya II

F1 F2

S = F1 – F2

Teknik menentukan pusat gravitasi

Menggantungkan sebuah objek pada dua titik yang berbeda

Berdiri di atas sebuah papan di mana kedua ujung papan terletak di atas timbangan

Metode grafik Metode analisa

Mengantungkan objek pd titik yg berbeda

Sebuah objek yg akan di tentukan pusat gravitasi di gantungkan melalui sebuah titik (P). Pusat gravitasi akan berada di bawah titik gantung. (Lihat gambar).

Gbr. 1

Kemudian objek tsb di gantung melalui titik p1; pusat gravitasi akan berada di bawah titik p1 (lihat gambar)

Gbr 2

Dengan mengetahui garis vertikal malalui P dan P1 maka titik pusat gravitasi dapat di cari dgn mencari titik potong dari kedua garis tsb.

Gbr 3

Berdiri di atas papan yg kedua ujungnya terdapat timbangan

Seseorang yg akan di tentukan pusat gravitasi berdiri di atas papan tsb, pd timbangan menunjukan skala W1 dan W2 (lihat gambar 4)

Gambar 4

Pada keadaan ini torsi = 0 pada titik P, maka :

X = W2

. L

W1 + W2

Data pusat gravitasi tiap segmen tubuh sesuai dengan posisi tubuh (a dan b)

Gambar mengenai massa & pusat

gravitasi bg tiap segmen tubuh

Gambar total massa adalah m dan tinggi adalah h

Tabel mengenai massa & pusat gravitasi bagi tiap segmen tubuh pd posisi a & posisi b. total massa adlh m dan tinggi h.

Contoh

Massa tubuh 70 Kg, sedangkan massa kepala & punggung adalah 0,593 x 70 = 41,5 Kg

Pusat gravitasi bagi

tiap segmen pd posisi

a b

Segmen

Punggung & kepala

Lengan atas

Massa (m)

0, 593

0,053

X (h)

0,10

0,14

Y (h)

0,70

0,75

X (h)

0,26

0,35

Y (h)

0,52

0,45

Pusat gravitasi bagi

tiap segmen pd posisi

a bSegmen

Bagian depan & tangan

Tungkai bwh bagian atas

Massa (m)

0, 043

0,193

X (h)

0,24

0,12

Y (h)

0,64

0,42

X (h)

0,34

0,11

Y (h)

0,29

0,40

Pusat gravitasi bagi

tiap segmen pd posisi

a bSegmen

Tungkai bwh bagian bawah & kaki

Massa (m)

0, 118

X (h)

0,10

Y (h)

0,19

X (h)

0,17

Y (h)

0,18

Hasil laporan penelitian Borelli, Braune, Fischer & Dempster mengenai berat relatif tiap segmen tubuh (lihat tabel) dpt dipakai utk menentukan pusat gravitasi dr tiap-tiap segmen tubuh melalui kalkulus

Tabel: berat relatif dr segmen tubuh manusia

Bagian tubuh

Braune & Fischer %

Termasuk Borelli

Pria wanita

% %

Dempster %

Kira-kira dpt diterima %

Kepala

Punggung

pinggul

7,06

42,70

11,58

6,72 8,12

46,30 43,90

12,21 12,89

6,9

46,1

10,7

7

43

12

Tabel: berat relatif dr segmen tubuh manusia

Bagian tubuh

Braune & Fischer %

Termasuk Borelli

Pria wanita

% %

Dempster %

Kira-kira dpt diterima %

betis

kaki

Lengan

5,27

1,27

3,36

2,28

4,65 4,34

1,56 1,29

2,65 2,60

1,82 1,82

4,7

1,7

3,3

2,1

5

2

3

2

Tabel: berat relatif dr segmen tubuh manusia

Bagian tubuh

Braune & Fischer %

Termasuk borelli

Pria wanita % %

Dempster %

Kira-kira dpt di terima %

Tangan

Total body weight

0,84

100

0,70 0,55

100 100

0,8

100

1

100

Metode grafik

Pusat gravitasi dpt di tentukan secara grafik melalui momen dr pusat gravitasi secara berantai. Sebagai contoh: menentukan pusat gravitasi pd lengan

Mula-mula tentukan gaya pd lengan atas (G1) yaitu pertengahan antara titik A dan B; G1 ini adlh 3 % dr berat badan. Kemudian tentukan G2 yaitu pertengahan antara titik B & C; G2 adlh 2 % dr berat badan.

Lanjutan…

Dgn cara yg sama dpt ditentukan G3 yg merupakan 1 % dr berat badan. Setelah memperoleh G1 & G2 dpt ditentukan G4, & G3 dpt menentukan G5 yg merupakan pusat gravitasi dr lengan.

Gbr. Menghitung pusat gravitasi dr tiap segmen tubuh

Metode analisa

Dasar metode analisa adalah teorema dari Varignon yaitu “jumlah dr momen suatu gaya dalam kaitan utk sebarang pole adlh sama dgn momen gaya dalam kaitan pole yg sama”

Gbr. Menentukan pusat gravitasi dgn menggunakan metode analisa

Kesalahan Menentukan pusat gravitasi tubuh manusia melalui kalkulus disebabkan oleh:

1. Pusat gravitasi tidak tepat pd aksis longitudinal

2. Setiap individu mempunyai pusat gravitasi yg berbeda-beda

3. Sistem biomekanika yg berubah bentuk

Kegunaan pusat gravitasi :

Dengan mengetahui & dpt menentukan pusat gravitasi sangat membantu olah ragawan loncat tinggi, lompat jauh. (lihat gambar 1-2).

Gbr 1 olahragawan loncat tinggi, lompat jauh

Gb 2. perubahan pusat gravitasi akibat adanya perubahan teknik loncatan

Keseimbangan

Ada 2 macam :

1. Keseimbangan labil

2. Keseimbangan stabil

Keseimbangan labil

Terjadinya keseimbangan labil disebabkan garis pusat gravitasi jatuh di luar dasar penyokong dan luas dasar penyokong terlalu kecil. (lihat gambar)

Gambar keseimbangan labil

Gbr. Dasar penyokong kecil

Keseimbangan stabil

Keseimbangan stabil dapat tercapai apabila benda dlm kedudukan :

1. Kontak dgn dasar/ permukaan pijakan luas

2. Pusat gravitasi terletak rendah & garis pusat gravitasi terletak di dlm benda.

Gbr. Efek permukaan pijakan terhadap kesetimbangan

Gbr. Pusat gravitasi dekat dgn permukaan pijakan

Gbr. Efek pusat gravitasi terhadap kesetimbangan

Keseimbangan tubuh:

Di tinjau dr segi pusat gravitasi & luas kontak, keseimbangan tubuh bisa tercapai & ditingkatkan apabila:

a. Letak pusat gravitasi di rendahkan misalnya pd posisi duduk atau tidur

Lanjutan…

b. Peningkatan luas permukaan penyangga misalnya dlm posisi tidur, posisi duduk, waktu berjalan, bertinju kedua kaki di lebarkan

Keseimbangan tubuh dpt dikurangi dgn cara:

Meningkatkan pusat gravitasi, dengan cara angkat tangan ke atas, menjunjung barang di atas kepala

Mengurangi dasar permukaan penyangga dgn cara menjinjit atau berdiri satu kaki

Momentum

Momentum dari sebuah objek adalah hasil kali massa & kecepatannya

Untuk mendapatkan gambaran yg jelas akan momentum akan di sajikan peristiwa tabrakan antara dua objek.

Gbr sebelum tabrakan

Gbr selama tumbukan

Gbr setelah tabrakan

Setelah terjadi tabrakan maka m1 mempunyai kecepatan V1, dgn arah berlawanan dgn V1. Demikian pula m2 mempunyai kecepatan V2, yg berlawanan dgn V2.

Momentum initial objek A adalah P1 = m1 V1, dan objek B mempunyai momentum initial P2 = m2 v2.

Lanjutan…..

selama tabrakan kedua objek dlm keadaan seimbang dan ada gaya berlawanan untuk tiap-tiap objek adalah

P1=m1 v1 dan p2= m2 V2

Rumus momentum

Dimana F= gaya

t= waktu

Satuan momentum adalah Kg m S-1

Momentum = F . t

Kegunaan momentum dlm bidang olah raga

Momentum memainkan peranan penting dlm olahraga. Tabel di bawah ini memberi gambaran berbagai olahraga dlm mengunakan bola, mengenai kecepatan, tumbukan dlm kaitan impuls & momentum.

Bola Massa bola

Kecepatan bola

Sblm ssdh

Kecepatan tumbukan

Sblm ssdh

Waktu tumbukan

s=dtk

Base ball

Foot ball

Bola golf

0,15

0,42

0,047

0 39

0 28

0 69

31 27

18 12

51 35

1,35x 10-3

8x10-3

1,25x10-3

Bola Massa bola

Kecepatan bola

Sblm ssdh

Kecepatan tumbukan

Sblm ssdh

Waktu tumbukan

s=dtk

hand ball

spak bola

Squash

ball

0,061

0,43

0,032

0 23

0 26

0 49

19 14

18 13

44 34

1,35x 10-2

8x10-3

3 x 10-3

Bola Massa bola

Kecepatan bola

Sblm ssdh

Kecepatan tumbukan

Sblm ssdh

Waktu tumbukan

s=dtk

soft ball

tenis ball

0,17

0,058

0 35

0 51

32 22

38 33

3 x 10-

3

4x10-3

Contoh olahraga tenis

Misalnya massa bola m, kecepatan inisial adalah nol. Kecepatan akhir adalah v’; massa efektif tumbukan M, mempunyai initial kecepatan V dan kecepatan akhir V’. Jika gerakan dlm satu garis lurus maka besar momentum adlh :

MV= MV’ + mv

Maka besarnya massa efektif tumbukan :

M = m V’ V - V’

Contoh soal :

Hitunglah massa efektif tumbukan pd waktu melakukan serve tenis. Apabila dik. Massa bola (m) 0,058 Kg, kecepatan bola (v’) 51 mS-1, kecepatan tumbukan sebelum (v) 38 mS-1 & kecepatan sesudah tumbukan (v’) 35 mS-1 & berapa gaya pd bola selama tumbukan berlangsung (t= 4x10-3)

Jawab

Massa efektif tumbukan :

M = m v’

V – V’

= 0,058 Kg x 51 mS-1

(38 – 33) mS-1

= 0,59 Kg

Lanjutan…

Gaya pd bola selama tumbukan berlangsung:

F.t = m(V’ – v) F = m(V’ - v)

t

= 0,058Kg x 51 mS-1

4x 10-3 S

= 740 N

Momentum dlm karate

Dlm karate momentum tinggi dr suatu tumbukan di capai melalui gerakan cepat dr lengan. Pd pukulan ke dpn, gerakan mula-mula di perkirakan lurus & terjadi tumbukan ketika gerakan dgn kecepatan maksimum serta panjang jangkauan tangan 70 %. (lihat gbr & grafik)

Gbr arah pukulan dlm karate

Hubungan antara kecepatan dgn panjang lengan pd pristiwa tumbukan

Soal Seseorang karateka melakukan gerakan

pukulan kedepan jangkauan tangan 70 % dgn kecepatan bergerak bersama-sama setelah tumbukan terjadi. Berapakah gaya rata-rata pukulan & berapa besar energi kinetik yg hilang apabila di ket. Masa lengan (ma) 7 Kg, massa kepala (m head) 6 Kg, waktu tumbukan 10-3 S & kecepatan V= 5,5 mS-1

Jawab:

Rumus momentum:

Ma V = (ma + mn) v’

V’= ma V

ma + mn

= 7 Kg x 5,5 mS-1

7 Kg + 6 Kg

= 2,96 mS-1

Lanjutan…

Gaya rata-rata pukulan:

F = ma V’ – ma V

t= (7Kg x 2,96mS-1)-(7Kg x 5,5 mS-1)

10-3 S

= -17.800 N

Lanjutan…

Lawan menerima gaya sebesar 17.800 N.

Energi kinetik inisial yg di hasilkan lengan :

Ko = ½ (ma + mn) V2 = ½ (7 Kg + 6 Kg) (2,96 mS-1)2 = 57 J

K - ko = 49 J. merupakan energi yg merusak lawan

terima kasih