Biomekanika

Mekanika adalah salah satu cabang ilmu dari bidang ilmu fisika yang mempelajari

gerakan dan perubahan bentuk suatu materi yang diakibatkan oleh gangguan mekanik yang

disebut gaya. Mekanika adalah cabang ilmu yang tertua dari semua cabang ilmu dalam fisika.

Tersebutlah nama-nama seperti Archimides (287-212 SM), Galileo Galilei (1564-1642), dan

Issac Newton (1642-1727) yang merupakan peletak dasar bidang ilmu ini. Galileo adalah

peletak dasar analisa dan eksperimen dalam ilmu dinamika. Sedangkan Newton merangkum

gejala-gejala dalam dinamika dalam hukum-hukum gerak dan gravitasi.

Mekanika teknik atau disebut juga denagn mekanika terapan adalah ilmu yang

mempelajari penerapan dari prinsip-prinpsip mekanika. Mekanika terapan mempelajari

analisis dan disain dari sistem mekanik.

Biomekanika didefinisikan sebagai bidang ilmu aplikasi mekanika pada sistem

biologi. Biomekanika merupakan kombinasi antara disiplin ilmu mekanika terapan dan ilmu-

ilmu biologi dan fisiologi. Biomekanika menyangkut tubuh manusia dan hampir semua tubuh

makhluk hidup. Dalam biomekanika prinsip-prinsip mekanika dipakai dalam penyusunan

konsep, analisis, desain dan pengembangan peralatan dan sistem dalam biologi dan

kedokteran.

Ilmu fisika adalah studi tentang atribut yang terukur dari benda-benda, sehingga

konsep dasar fisika didefenisikan dalam pengukuran dan tujuan teori-teori fisika adalah untuk

mengoreksi hasil-hasil pengukuran. Semuanya ini tidak saja berlaku bagi benda-benda tetapi

juga berlaku bagi makhluk hidup yaitu manusia dan ternak.

1. Proses Pengukuran

Hasil pengukuran dapat memberikan informasi yang berguna tentang keadaan

suatu benda atau tubuh makhluk hidup. Pengukuran dibagi dalam dua kelompok yaitu:

1. Pengukuran tidak ulang

Dalam proses ini, pengukuran hanya dilakukan satu kali saja, misalnya mengukur

substansi asing yang keluar dari ginjal dan potensial aksi dari saraf. Dalam proses

pengukuran dibutuhkan ketelitian dan kebenaran agar hasil pengukuran itu dapat

dipercaya.

2. Pengukuran pengulangan

Dalam proses ini, pengukuran dilakukan beberapa kali, misalnya pengukuran

pernapasan dan pengukuran denyut nadi (pulpus).

Contoh :

Antara termometer standar dan termometer yang digunakan terdapat selisih pengukuran

sekitar 3 0C. Sehingga termometer yang digunakan dikatakan tidak teliti. Sebaliknya angka

36.02 0C yang diperoleh dikatakan kebenaran dari pengukuran.

Kadang-kadang dalam melakukan pengukuran di temukan suatu ketidaktepatan,

misalnya mengukur panjang sebuah buku.Hasil pengukuran yang dilakukan sebanyak 10 kali

terhadap panjang buku itu adalah 24,2 ± 0,1 cm. Ini berarti panjang buku tersebut terletak di

antara 24,1 sampai 24,3 cm. Nilai 0,1 cm ini adalah ketidaktepatan atau ketaktepatan atau

ralat dalam pengukuran.

Suhu tubuh normal 37 0C

Hasil pengukuran sebanyak 10

kali

36.02 ± 0.2 0 C

Termometer standar 39 0C

Termometer yang dipakai 36.02 0C

Ralat dalam suatu pengukuran ada dua macam,yaitu:

1. Ralat acak

Perhatikan gambar berikut ini.

Tentukan titik A dan B

Hubungan titik A dan B dengan seutas tali atau sebuah garis

Gunakan mistar untuk mengukur panjang AB

Setiap kali mistar diletakan pada garis AB, beri tanda C, D, E dan F

Pada waktu memberi tanda-tanda tersebut, bisa diujung mistar bisa pula agak kedalam

dari ujung mistar. Jadi tanda yang diberikan secara teratur tidak tepat sesuai dengan

ukuran yang ada pada mistar. Inilah yang dikatakan ralat acak. Oleh karena itu

pengukuran harus dilakukan berulang-ulang kali baru diambil nilai rata-ratanya.

2. Ralat sistimatik

Ralat sistimatik dapat terjadi karena peralatan dan prosedur pengukuran yang

dilakukan. Untuk peralatan, misalnya mistar yang dipakai lebih panjang dari ukuran

sebenarnyadan untuk prosedur pengukuran, misalnya pada pemberian tanda C, D, E, dan F

pada gambar diatas selalu di depan atau di belakang tanda pada mistar.

2 Registrasi

Dalam melakukan pengukuran, hasil pengukuran perlu dicatat. Mencatat hasil

pengukuran disebut merigistrasi. Hal ini penting dilakukan untuk memperoleh

informasi yang dibutuhkan. Registrasi kontinyu terhadap suatu keadaan selama waktu

tertentu disebut registrasi analog.

3 False positif dan False negatif

Hasil pengukuran belum bisa menetukan apa-apa atau belum bisa diambil

kesimpulan bila tidak dibandingkan dengan nilai baku atau standar yang ada.

` Contoh :

Seorang dokter ingin menentukan seorang atau seekor ternak sedang menderita

sakit atau tidak. Untuk itu dokter membutuhkan sejarah kesakitan dari orang atau

ternak tersebut, hasil pemeriksaan fisik dan hasil pemeriksaan labolatorium. Dari

ketiga informasi tersebut, dokter membandingkan dengan nilai baku atau nilai standar

orang atau ternak yang sehat baru dokter bisa menentukan apakah orang atau ternak

tersebut sakit atau tidak.

Dalam menentukan apakah orang atau ternak tersebut sakit atau tidak, bisa terjadi

kesalahan. Suatu kesalahan yang terjadi dimana penderita dinyatakan menderita suatu

penyakit pada hal sama sekali tidak menderita penyakit, disebut false positif.

Sebaliknya suatu kesalahan yang terjadi dimana penderita dinyatakan tidak sakit pada

hal dia sedang menderita suatu penyakit disebut false negatif.

False positif dan false negatif berhubungan erat dengan pemeriksaan l

abolatorium, sehingga perlu diperhatikan :

Pengambilan pengukuran

Pengulangan pengukuran

Penggunaan alat yang tepat dan dapat dipercaya

Selalu dilakukan kalibrasi pada alat yang digunakan.

4. Satuan Pengukuran

Pengukuran selalu dibuat relatif terhadap bakuan atau standar tertentu yang disebut

satuan. Samapai saat ini satuan terdapat dalam dua Sistim Internasional (SI) dan

Sistim Non Satuan Internasional (Non SI). Sistim SI dan sistim Non SI diperlihatkan

pada Tabel 1 dan Tabel 2.

Tabel 1. Satuan Internasional dan Turunannya

KUANTITAS SATUAN SINGKATAN

Panjang Meter M

Massa Kilogram Kg

Waktu Detik Sec

Arus Ampere A

Temperatur Kelvin K

Intensitas luminasi Candela Cd

Gaya Newton N

Tekanan Pascal Pa.N/m2

Energi Joule J.Nm

Tenaga Watt W J/sec

Potensial listrik Volt V. J/c

Tahanan listrik Ohm V/A

Kapasitas Farad F.C/V.C2/J

Induktan Henry H

Fluks magnetis Weber Wb. J/A

Intensitas magnetis Testa T. Wb/m2

Frekwensi Hertz Hz

Tabel 2. Non Satuan Internasional

KUANTITAS SATUAN SINGKATAN

Panjang Foot Ft

Centimeter Cm

Massa Gram G

Waktu Menit Min

Volume Liter L

Temperatur Faranheit F

Celcius C

Energi Kalori Cal

Kilokalori Kcal

Tenaga Kilokalori/menit Kcal/min

Gaya Dyne

Pound force Lbf

Alat ukur Besaran Fisika

Besaran Alat Ukur

Panjang Mistar

Massa Neraca

Waktu Stopwatch

Kuat arus listrik Amperemeter

Jumlah molekul Tidak diukur secara langsung

Intensitas cahaya Lightmeter

5. Penskalaan

Masalah –masalah biologis yang menarik dapat diselidiki dengan analisis

matematis sederhana adalah bagaimana ukuran satu struktur berkaitan dengan

fungsinya. Untuk itu pengukuran menggunakan besaran-besaran geometri panjang,

luas dan volume.

Contoh :

Kubus c:

Kubus c’:

Gambar.1 Dua Kubus Dengan Ukuran Berbeda

Sisi kubus c = l Sisi kubus c’ = 2 x sisi kibus c = 2

Luas = L Luas = L2 = 22 = 4

Volume = L Volume = L3 = 23 = 8

Jadi luas dari atu permukaan kubus c’ yang bersesuaian dengan kubus c = 4 dan

volumanya = 8, sehingga nisbah luasan =4 dan nisba volume =8. Oleh karena itu kubus c’

lebih besar dari kubus c dengan faktor skala untuk luas L = 4 dan untuk volume L = 8.

Faktor skala adalah nisbah dari panjang yang bersesuaian dalam dua gambar yang

serupa. Manfaat hubungan geometris muncul dari kenyataan bahwa beberapa sifat fisik

tubuh gayut pada voluma dan sebagian gayut pada luas, misalnya bobot seekor binatang

adalah sebanding dengan volumanya.

Contoh :

Bobot binatang A = W =aV

Bobot binatang B yang serupa =W’ =Av’

a = tetapan kesebandingan

Tetapan kesebandingan adalah sama untuk masing-masing binatang sehingga nisbah

dari bobot sama dengan nisbah dari voluma binatang-binatang tersebut.

Jadi :

W 'W

=aV 'aV

=V 'V

=L3

6. Kekuatan Nisbih (relatif)

Gambar 2 . Dua sapi dengan bentuk serupa tetapi ukuran berbeda

Dua ekor Ruminansia dengan bentuk serupa tetapi ukuran berbeda, ukurannya

berbeda dimana Gambar A adalah gambar seekor sapi Dewasa dan B adalah gambar

seekor sapi Remaja.

Sapi Dewasa mempunyai faktor skala L =

terhadap sapi Remaja, oleh karena itu sapi Dewasa mempunyai berat L3 kali lebih besar.

Jadi:

Berat sapi = L3 (berat sapi remaja )

Di lain pihak, kekuatan seekor sapi adalah sebanding dengan luas penampang lintang

otot-ototnya, sehingga sapi dewasa akan L2 kali lebih kuat dari sapi remaja dan akan

dapat mengankat beban L2 kali lebih besar.

Jadi:

Beban yang dapat diangkut sapi dewasa =L2 (beban yang dapat diangkut sapi

remaja)

Kekuatan nisbih (relatif) seekor binatang adalah nisbah antara beban yang dapat

diangkat binatang itu dengan berat badan binatang tersebut. Jadi :

Kekuatan nisbih sapi dewasa = Beban yangdapat diangkat sapi dewasa

Beban sapi dewasa

Kekuatan nisbih sapi dewasa = L2¿¿

Kekuatan nisbih sapi dewasa = Beban yangdapat diangkat sapi remaja

L(sapi remaja)

Kekuatan nisbih sapi dewasa = 1L(kekuatannisbi h sapi remaja)

Jadi kekuatan nisbih sapi dewasa lebih kecil dari kekuatan nisbih sapi remaja dengan

faktor 1/L.

7. Pembelahan Sel

Salah satu asas penskalaan yang dapat dipelajari adalah mengapa sel-sel sel-sel

tubuh membelah pada saat sel-sel tersebut mencapai ukuran tertentu. Gambar 3

memperlihatkan dua buah sel yang berbeda tingkatan pertumbuhan. A adalah gambar

sel muda dan B adalah gambar sel tua.

A. Sel muda B. Sel Tua

Faktor skala sel tua relatif terhadap sel muda = L = R 'R

Volume sel tua = L3 (voluma sel muda)

Ini berarti :

1. Sel tua membutuhkan bahan-bahan metabolik L3 lebih besar dari sel muda

2. Sel tua membutuhkan oksigen L3 lebih besar dari sel muda

Jadi :

Kebutuhan O2 / menit dari sel tua = L3 (kebutuhan O2/menit sel muda)

Semua O2 yang dikonsumsi sel akan masuk melalui seluruh dinding sel sehingga

jumlah maksimum O2 yang dapat diperoleh sel per menit adalah sebanding dengan luas

membran sel. Jadi sel tua akan memperoleh O2 per menit paling banyak sebesar L2 kali

banyaknya O2 yang diperoleh sel muda. Jadi :

ƩmaksimumO2 yang diperoleh sel tua/menit = L2 (Ʃmaksimum O2 yang

diperoleh sel muda/menit)

Nisbah jumlah maksimum O2 yang diperoleh terhadap O2 yang diperlukan disebut

faktor viabilitas (faktor kelangsungan hidup). Jadi :

ƩmaksimumO2 yangdiperole hsel tua/menit

Ʃ kebutu hanO2darisel tua/menit=L2¿¿

Atau :

Faktor viabilitas sel tua = 1L

(faktor viabilitas sel muda)

KESIMPULAN

1. Ilmu fisika adalah studi tentang atribut yang terukur dari benda-benda atau makhlukh

hidup sehingga konsep dasar fisika didefenisikan dalam pengukuran-pengukuran dan

tujuan dari ilmu fisika adalah mengoreksi hasil-hasil pengukuran.

2. Proses pengukuran dikelompokkan ke dalam proses pengukuran pengulangan dan proses

pengukuran tidak ulang. Dalam setiap proses pengukuran selalu terjadi ketidaktepatan

atau ralat pengukuran, yang terdiri atas ralat acak dan ralat sistematik.

3. Dalam melakukan pengukuran, hasil perlu dicatat dan mencatat hasil pengukuran disebut

registrasi. Hasil pengukuran harus dibandingkan dengan suatu standart baku agar bisa

diambil kesimpulan dari hasil pengukuran tersebut, apakah berupa false positif atau felse

negatif.

4. Pengukuran selalu dibuat relatif terhadap standard tertentu yang disebut satuan,yang

terdiri atas satuan internasional dan satuan non internasional.

5. Faktor skala adalah nisbah dari panjang yang bersesuaian dalam dua gambar yang serupa.

6. Kekuatan nisbih seekor binatang adalah nisbah antara beban yang dapat diangkat

binatang itu dengan berat badan binatang tersebut.

7. Faktor viabilitas sel tua adalah 1/L (faktor viabilitas sel muda) menjelaskan mengapa

suatu sel setelah mencapai besaran tertentu akan membelah diri atau menjelaskan

mengapa orang atau ternak tua lebih cepat lelah dibandingkan dengan orang atau ternak

muda.