Download - BAB I,II,III,IV - Copy.docx
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah segala puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah
memberikan kita kesehatan, limpahan rahmat dan karunia-Nya kepada penulis
sehingga dapat menyelesaikan seminar koloqium yang berjudul “Penerapam Ilmu
Fisika Pada Sistem Kardiovaskular”, sebagai salah satu mata kuliah wajib pada
program studi Pendidikan Fisika FKIP Unsyiah. Shalawat beriring salam kepada
junjungan alam nabi besar Muhammad SAW yang telah membawa umat manusia dari
alam jahiliyah ke alam islamiah, dari alam kebodohan ke alam yang penuh dengan
ilmu pengetahuan seperti yang kita rasakan saat ini.
Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih yang tidak
terhingga yang pertama kepada orang tua penulis yang telah melahirkan dan
membesarkan penulis sehingga menjadi anak yang penuh cita-cita ingin
membahagiakan mereka, selanjutnya penulis juga mengucapkan terima kasih dan
penghargaan yang setinggi-tingginya kepada Drs. Agus Wahyuni, M.Pd selaku ketua
Prodi Pendidikan Fisika FKIP Unsyiah dan kepada bapak Drs. Marwan, AR selaku
pembimbing saya yang telah banyak meluangkan waktu dan pikiran guna
mengarahkan dan membimbing penulis menyesaikan seminar fisika koloqium ini.
Penulis menyadari karya tulis ini memiliki banyak kekurangan dan jauh dari
kesempurnaan, untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat
membangun dari semua pihak. Akhir kata penulis ucapkan terimakasih, semoga karya
tulis ini bermanfaat bagi semua pihak. Aamiin.
Darussalam, Mei 2015
penulis
i
PENERAPAN ILMU FISIKA PADA SISTEMKARDIOVASKULAR
Maulidin1, Marwan2
1Maulidin2Drs. Marwan, AR
Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan - Universitas Syiah KualaKorespondensi: [email protected]
Abstrak
Sistem kardiovaskular merupakan suatu kejadian yang tanpa disadari sangat dekat dalam kehidupan sehari-hari. Bahkan sistem kardiovaskular mencakup adalah proses vital yang merupakan sistem sirkulasi darah yang terdiri dari jantung komponen darah dan pembuluh darah. Pusat peredaran darah atau sirkulasi darah ini berawal di jantung dan di pompa keseluruh tubuh. Ilmu fisika mengkaji semua bidang ilmu termasuk ilmu kesehatan kali ini penulis menfokuskan pada sistem kardiovaskular yang menjadi kejadian penting dalam tubuh umumnya, tubuh manusia khususnya. Terdapat beberapa kejadian fisika pada sistem kardiovaskular yang dapat di aplikasikan dari salah satu persamaan dalam dunia fisika. sangat erat kaitannya dengan Prinsip Bernoulli, Hukum Poiseuille, fliuda tekanan dan lain sebagainya. Pembahasan terkait dengan komponen Utama Sistem Kardiovaskular, Pertukaran O2 dan CO2 di Sistem Kapiler, Kerja Jantung, Tekanan Darah dan Pengukurannya, Penerapan Prinsip Bernoulli pada Sistem Kardiovaskular
Kata kunci : fluida, ilmu fisika, sistem kardiovaskular
1Mahasiswa program studi Fisika2Dosen program studi Fisika
ii
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR....................................................................................................i
ABSTRAK....................................................................................................................ii
DAFTAR ISI................................................................................................................iii
BAB 1 PENDAHULUAN.............................................................................................1
1.1 latar belakang...........................................................................................................1
1.2 Rumusan Masalah....................................................................................................2
1.3 Tujuan......................................................................................................................2
1.4 Manfaat Penelitian...................................................................................................3
1.5 Pembatasan Masalah................................................................................................3
BAB II LANDASAN TEORI........................................................................................4
2.1 Hukum Poiseuille....................................................................................................4
2.2 Prinsip Bernoulli......................................................................................................4
2.3 Defenisi Jantung.....................................................................................................5
2.4 Pengertian Tekanan.................................................................................................5
2.5 Pengertian Fluida.....................................................................................................6
2.6 Pengertian Tekanan Darah.......................................................................................6
2.7 Sistem Kardiovaskular.............................................................................................7
BAB III PEMBAHASAN.............................................................................................8
3.1 Komponen Utama Sistem Kardiovaskular..............................................................8
3.2 Pertukaran O2 dan CO2 di Sistem Kapiler.............................................................13
3.3 Kerja Jantung.........................................................................................................15
3.4 Tekanan Darah dan Pengukurannya......................................................................17
3.5 Penerapan Prinsip Bernoulli pada Sistem Kardiovaskular....................................21
3.6 Seberapa Cepat Darah Anda Mengalir ?...............................................................23
BAB IV PENUTUP.....................................................................................................30
4.1 Kesimpulan............................................................................................................30
4.2 Saran......................................................................................................................30
DAFTAR PUSTAKA..................................................................................................31
iii
DAFTAR GAMBAR
Gambar Hal
Gambar 3.1 : Jantung …............................................................................................9
Gambar 3.2 : Coulder counter.................................................................................12
Gambar 3.3 : Potongan kecil jaringan kapiler…………………………………….14
Gambar 3.4 : Sistem sirkulasi……………………………………………………..16
Gambar 3.5 : Pengukuran tekanan darah secara langsung…………......................18
Gambar 3.6 : Pengukuran tekanan darah menggunakan sfigmomanometer ……..19
Gambar 3.7 : Kecepatan cairan……………………………………………………23
Gambar 3.8 : Kurva ………………………………………………………………24
Gambar 3.9 : Presentasi sel darah…………………………………………………26
Gambar 3.10 : Penyakit katup buatan …………….………………………………..30
iv
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 latar belakang
Ilmu Fisika berasal dari bahasa Yunani yang berarti “alam”. Fisika adalah
ilmu pengetahuan yang mempelajari sifat dan gejala pada benda-benda di alam.
Fisika biasanya menjadi mata pelajaran yang paling ditakuti, padahal ilmu fisika
merupakan ilmu pengetahuan yang sangat luas, tanpa kita sadari kejadian-kejadian
fisika sangat berhubungan dengan kehidupan sehari-hari manusia sampai mencakup
hal yang paling kecil dan paling besar di jagad raya ini.
Sampai pada saat ini fisika terus berkembang, banyak bidang-bidang baru
dalam fisika misalnya Geofisika, Astronomi, fisika nuklir dan masih banyak lagi, tapi
ada satu bidang baru yang sangat berpengaruh dalam kehidupan yaitu fisika medik
atau biasa disebut fisika kesehatan. Ilmu fisika kesehatan atau disebut dengan medical
physics adalah ilmu yang menggabungkan dua bidang kajian yang sangat luas, yaitu :
ilmu fisika dan ilmu kesehatan serta keterkaitannya.
Kardiovaskular terdiri dari dua suku kata yaitu cardiac dan vaskuler.
Cardiac yang berarti jantung dan vaskuler yang berarti pembuluh darah. Dalam hal
ini mencakup sistem sirkulasi darah yang terdiri dari jantung komponen darah dan
pembuluh darah. Pusat peredaran darah atau sirkulasi darah ini berawal dijantung,
yaitu sebuah pompa berotot yang berdenyut secara ritmis dan berulang
60-100x/menit. Setiap denyut menyebabkan darah mengalir dari jantung, ke seluruh
1
tubuh dalam suatu jaringan tertutup yang terdiri atas arteri, arteriol, dan kapiler
kemudian kembali ke jantung melalui venula dan vena.
Dalam mekanisme pemeliharaan lingkungan internal sirkulasi darah
digunakan sebagai sistem transport oksigen, karbon dioksida, makanan, dan hormon
serta obat-obatan ke seluruh jaringan sesuai dengan kebutuhan metabolisme tiap-tiap
sel dalam tubuh. Dalam hal ini, faktor perubahan volume cairan tubuh dan hormon
dapat berpengaruh pada sistem kardiovaskular baik secara langsung maupun tidak
langsung.
Ilmu fisika sangat erat kaitannya dengan ilmu kesehatan , apalagi pada zaman
modern seperti sekarang ini. Oleh karena itu penulis tertarik untuk melakukan sebuah
penelitian yang berjudul “penerapan ilmu fisika pada sistem kardiovaskular”.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan di atas, maka masalah yang
dapat kita ambil adalah :
1. Bagaimana penerapan ilmu fisika pada sistem kardiovaskular.
2. Seberapa penting jantung bagi tubuh manusia.
1.3 Tujuan
Tujuan yang diharapkan oleh penulis adalah:
1. Untuk mengetahui penerapan ilmu fisika pada sistem kardiovaskular.
2. Pembaca dapat lebih bisa menjaga kesehatan organ penting tubuh.
2
1.4 Manfaat Penelitian
Setelah melakukan penelitian adapun manfaat yang penulis dapat, yaitu:
1. Agar penulis dapat memahami penerapan ilmu fisika pada sistem
kardiovaskular.
2. Agar penulis dapat menguasai penerapan ilmu fisika pada sistem
kardiovaskular dalam keperluan mengajar di sekolah sebagai guru.
1.5 Pembatasan Masalah
Tema dari kajian ini dibatasi pada analisis penerapan ilmu fisika pada sistem
kardiovaskuler. Pembahasan dilakukan dengan metode studi perpustakaan. Tulisan
ini dianalisis melalui studi ke perpustakaan; yaitu dengan membandingkan dengan
beberapa literatur. Literatur yang digunakan adalah ber ISSn dan terbitan tahun
1980an keatas. Sistematik penulisan adalah pendahuluan, pembahasan, kesimpulan,
dan tinjauan pustaka.
3
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Hukum Poiseuille
Hukum Poiseuille menyatakan bahwa cairan yang mengalir melalui saluran
pipa akan berbanding langsung dengan penurunan tekanan sepanjang pipa dan
pangkat empat jari-jari pipa. Jadi rumus diatas dapat dinyatakan : volume/detik =
tekanan/tahanan.
2.2 Prinsip Bernoulli
Asas Bernoulli dikemukakan pertama kali oleh Daniel Bernoulli tahun
(1700±1782). Daniel Bernoulli lahir di Groningen, Belanda pada tanggal 18 Februari
1700 dalam sebuah keluarga yang hebat dalam bidang matematika. Dalam kertas
kerjanya yang berjudul Hydrodynamica, Bernouli menunjukkan bahwa begitu
kecepatan aliran fluida meningkat maka tekanannya justru menurun.
Menurut Daniel Bernoulli,“Prinsip Bernoulli adalah sebuah istilah di dalam
mekanika fluida yang menyatakan bahwa pada suatu aliran fluida, peningkatan pada
kecepatan fluida akan menimbulkan penurunan tekanan pada aliran tersebut. Prinsip
ini sebenarnya merupakan penyederhanaan dari Persamaan Bernoulli yang
menyatakan bahwa jumlah energi pada suatu titik di dalam suatu aliran tertutup sama
besarnya dengan jumlah energi di titik lain pada jalur aliran yang sama.”
4
2.3 Defenisi Jantung
Jantung merupakan suatu organ otot berongga yang terletak di pusat dada.
Bagian kanan dan kiri jantung masing masing memiliki ruang sebelah atas (atrium
yang mengumpulkan darah dan ruang sebelah bawah (ventrikel) yang mengeluarkan
darah. Agar darah hanya mengalir dalam satu arah, maka ventrikel memiliki satu
katup pada jalan masuk dan satu katup pada jalan keluar.
Fungsi utama jantung adalah menyediakan oksigen ke seluruh tubuh dan
membersihkan tubuh dari hasil metabolisme (karbondioksida). Jantung melaksanakan
fungsi tersebut dengan mengumpulkan darah yang kekurangan oksigen dari seluruh
tubuh dan memompanya ke dalam paru-paru, dimana darah akan mengambil oksigen
dan membuang karbondioksida; jantung kemudian mengumpulkan darah yang kaya
oksigen dari paru-paru dan memompanya ke jaringan di seluruh tubuh.
2.4 Pengertian Tekanan
Tekanan adalah satuan fisika untuk menyatakan gaya (F) per satuan luas (A).
Satuan tekanan sering digunakan untuk mengukur kekuatan dari suatu cairan atau
gas.
P = ( F)/A
P : Tekanan dengan satuan pascal ( Pressure )
F : Gaya dengan satuan newton ( Force )
5
A : Luas permukaan dengan satuan m2 ( Area )
Satuan tekanan dapat dihubungkan dengan satuan volume (isi) dan suhu.
Semakin tinggi tekanan di dalam suatu tempat dengan isi yang sama, maka suhu akan
semakin tinggi. Hal ini dapat digunakan untuk menjelaskan mengapa suhu di
pegunungan lebih rendah dari pada di dataran rendah, karena di dataran rendah
tekanan lebih tinggi.
2.5 Pengertian Fluida
Menurut benyamin (1996:3),”fluida adalah zat yang berubah bentuk secara
kontinu (terus menerus) bila nterkena tegangan geser, betapa pun kecilnya tegangan
geser tersebut.”
Fluida ada 2 macam: cairan dan gas. Watak dari fluida adalah mengalir,
mengisi ruangan yang mewadahinya.
2.6 Pengertian Tekanan Darah
Tekanan darah adalah tekanan dari darah terhadap dinding pembuluh darah
yang merujuk kepada tekanan darah pada arteri secara sistemik. Dimana, tekanan
darah di vena lebih rendah daripada tekanan di arteri. Nilai tekanan darah secara
umum dinyatakan dalam mmHg (milimeter air raksa). Tekanan sistolik didefinisikan
sebagai tekanan puncak pada arteri selama siklus jantung; tekanan diastolik
merupakan tekanan terendah (pada fase istirahat siklus jantung) (Wikibooks, 2007:
149).
6
2.7 Sistem Kardiovaskular
Sistem kardiovaskuler terdiri dari jantung dan pembuluh darah, mengandung
5,5 L darah laki-laki dengan berat 70 kg. Fungsi utama sistem kardiovaskuler adalah
mendistribusi O2 dan nutrisi ke jaringan, mentransfer metabolit dan CO2 ke organ
ekskresi dan paru, serta mentransport hormone dan komponen sistem imun. Sistem
kardiovaskuler juga berperan penting pada termoregulasi. Sebagian besar sistem
kardiovaskuler tersusun peralel, yaitu setiap jaringan mendapat darah langsung dari
aorta. Keadaan ini memungkinkan semua jaringan mendapat darah yang teroksigenasi
penuh dan aliran bisa dikontrol secara independen pada setiap jaringan melawan
tekanan konstan yang diatur dengan mengubah resistensi arteri kecil (yaitu kontriksi
atau dilatasi arteriol). Jantung kanan, paru , dan jantung kiri tersusun seri.
BAB III
PEMBAHASAN
Jantung merupakan organ penting bagi tubuh manusia, oleh karena itu jantung
adalah organ pertama yang terbentuk pada masa mudigah. Delapan minggu setelah
7
konsepsi jantung mulai bekerja untuk mengedarkan darah ke jaringan janin, karena
janin belum memiliki paru-paru yang berfungsi, maka janin harus memperoleh darah
beroksigen dari ibunya melalui tali pusat.
Tubuh manusia memiliki kira-kira satu juta triliun sel, maka diperlukan suatu
sistem transportasi yang luas untuk menyalurkan bahan bakar O2 ke sel dan membuat
produk sisa. Fungsi tubuh yang sangat penting ini dilaksanakan oleh oleh darah.
Darah membentuk sekitar 7% dari massa tubuh atau sekitar 4,5 kg pada seseorang
dengan berat badan 64 kg. darah, pembuluh darah, dan jantung membentuk system
kardiovaskular (SKV). Bab ini menguraikan aspek-aspek fisika SKV.
3.1 Komponen Utama Sistem Kardiovaskular
Dua potongan melintang sebuah jantung diperlihatkan pada Gambar 3.1.
jantung yang pada dasarnya adalah suatu alat pompa ganda, menghasilkan gaya yang
diperlukan untuk mengedarkan darah melalui dua system sirkulasi utama, yaitu:
1. sirkulasi pulmonal di paru-paru
2. sirkulasi sistemik dibagian tubuh lainnya.
8
Gambar 3. 1. Jantung.
Perhatikan dinding otot sisi kiri lebih tebal dan kuat di sisi kiri tempat
sebagian besar kerja dilakukan.
Marilah kita mulai dengan darah disisi kiri jantung yang mengikuti
peredarannya satu siklus keseluruhan. Darah dipompa oleh kontraksi otot-otot
jantung diventrikel kiri dengan tekanan sekitar 17 kpa (125 mmhg) kedalam suatu
system arteri tang bercabang-cabang menjadi arteri yang semakin kecil (arteriol) dan
akhirnya menjadi jaringan pembuluh yang sngat halus yang disebut jaringan kapiler.
Selama beberapa detik di jaringan kapiler, darah menyalurkan O2 ke sel dan
menyerap CO2 dari sel. Setelah melewati jaringan kapiler, darah berkumpul di vena-
vena kecil (venula) secara bertahap bergabung menjadi vena yang semakin besar
sebelum masuk ke sisi kanan jantung melalui dua vena utama. Darah yang kembali
disimpan sementara dipenampungan, dan sngat terjadi kontraksi lemah dengan
tekanan sekitar 0,8 kpa (5 sampai 6 mmhg), darah mengalir dalam vertical kanan.
9
Pada kontraksi ventrikel berikutnya, darah dipompa dengan tekanan sekitar 3,3 kpa
(25 mmhg) melalui arteri pulmonaris ke sistem kapiler paru. Diparu, darah menerima
banyak oksigen dan sebagian CO2 berdifusi kedalam udara di paru untuk
dihembuskan keluar. Darah yang baru mendapatkan oksigen kemudian mengalir
melalui vena-vena utama dari paru kedalam penampungan kiri jantung (antrium
kiri);selama kontraksi atrium yang lemah dengan tekanan sekitar 1kpa (7 sampai 8
mmhg), darah mengalir kedalam ventrikel kiri. Pada kontraksi ventrikel berikutnya,
darah ini kembali dipompa dari sisi ke dalam sirkulasi umum. Karena seorang dewasa
biasanya memiliki sekitar 4,5 liter darah dan setiap bagian jantung memompa sekitar
80 ml setiap kali berkontraksi, diperlukan waktu sekitar 1 menit bagi sel darah merah
untuk menjalanisatu siklus sirkulasi lengkap di dalam tubuh.
Walaupun biasanya kita membayangkan darah berwarna merah terang, namun
sebagian besar darah berdasarkan merah tua. Darah vena kekurangan O2 yang
menyebabkan darah berwarna merah terang. Rona biru di vena-vena tangan anda
disebabkan oleh pigmentasi di kulit. Saat anda mengalami luka sayatan, biasanya
yang keluar pertama kali adalah darah vena karena vena terletak lebih dekat ke
permukaan, tetapi dalam sepersekian detik darah tersebut mangalami oksigensi dan
tampak merah terang.
Oleh mata telanjang, darah tampak sebagai suatu cairan merah yang sedikit
lebih kental dari pada air. Apabila di teliti dengan berbagai teknik fisik, darah
ternyata terediri dari beberapa komponen yang berbeda. Warna merah disebabkan
oleh sel darah merah (eritrosit) yang berbentuk piringan gepeng denga diameter
10
sekitar 7 mikro meter (7x10-6 m); eritrosit membentuk sekitar 45% dari volume darah.
Usia lazim sel-sel ini adalah 3 bulan; setiap hari sekitar 10 milyar eritrosit mati.
Cairan yang hamper jernih yang disebut plasma darah membentuk 55 % sisanya.
Kombinasi eritrosit dan plasma menyebabkan darah memilik sifat-sifat aliran yang
berbeda dari cairan seperti air.
Selain eritrosit dan plasma, terdapat terdapat beberapa komponen darah yang
penting, misalnya sel darah putih (leukosit), yang terdapat dalam jumlah yang
sedikit.sel-sel ini merupakan bagian dari system kekebalan tubuh yang berperan
untuk melawan penyakit.
Darah juga mengandung trombosit (platelet). Trombosit (diameter sampai 4
µm) berperan dalam fungsi pembekuan darah. Terdapat sekitar 3 x 105 trombosit/mm3
darah. Trombosit bertahan hidup hanya 3 hari. Hal ini berarti bahwa 5 juta trombosit
mati dan dibentuk sejumlah yang sama setiap detik.
Darah berfungsi sebagai mekanisme transportasi untuk sejumlah kecil hormon
yang mengatur berbagai proses kimiawi di dalam tubuh. Elektrolit tertentu (ion
logam) di darah sangat penting bagi fungsi tubuh. Sebagai contoh, 100 ml darah
biasanya mengandung sekitar 10 mg kalsium. Apabila jumlah kalsium dalam darah
turun di sampai 8 mg/ 100 ml, sistem saraf tidak dapat berfungsi dengan normal dan
dapat terjadi kematian akibat tetani (spasme otot).
11
Gambar 3.2. Coulder counter
Secara otomatis menghitung sel darah yang telah di encerkan dalam suatu
larutan penghantar. Kolom Hg yang di tinggikan menghasilkan tekanan negative dan
menarik larutan melewati kapiler. Sewaktu melewati lubang kecil, sel darah
menyebabkan resistensi sesaat antara elektrode. Pulsa (yang tealh diperkuat) dari sel
darah dihitung sejak Hg menyentuh elektrode mulai menghitung sampai elektrode
berhenti menghitung. Inset adalah gambaran kapiler yang di perbesar; jalur arus
listrik digambarkan sebagai garis terputus-putus.
Dahulu, hitung sel darah putih biasanya dilakukan dengan mengencerkan
darah dengan jumlah tertentu, meneteskannya di kaca objek, dan menghitung jumlah
sel. Karena metode ini sangat rumit dan tingkat keakuratannya hanya 15%, dicarilah
metode yang lebih mudah dan akurat. Instrumen yang sekarang umum digunakan di
laboratorium klinik besar untuk menghitung sel darah merah adalah Coulter counter.
12
Alat ini diciptakan oleh Wallace H. Coulter pada tahun 1950-an. Prinsip operasinya
diperlihatkan di Gambar 1.3. Darah yang diencerkan dilewatkan melalui sebuah
kapiler halus; sel-sel pada dasarnya melewati kapiler satu per satu; dan saat berjalan
di kapiler tersebut, sel-sel tersebut melewati dua elektrode yang mengukur resistensi
listrik di kapiler. Setiap sel darah merah menyebabkan perubahan resistensi sesaat
sewaktu sel tersebut lewat. Perubahan resistensi tampak sebagai pulsa listrik yang
dihitung di suatu sirkuit elektronik. Coulter counter telah berhasil menyingkirkan
rasa jemu saat penghitungan sel darah merah (yang dilakukan oleh petugas
laboratorium medis) dan pada saat yang sama memperbaiki tingkat keakuratan
penghitungan. Sayangnya, Coulter counter tidak dapat membedakan berbagai jenis
sel darah putih sehingga untuk melakukan hitung jenis tetap diperlukan mikroskop.
3.2 Pertukaran O2 dan CO2 di Sistem Kapiler
Oksigen dan karbon dioksida berdifusi keluar dan masuk jaringan. Jarak yang
paling mungkin ditempuh , D, oleh sebuah molekul setelah tumbukan N dengan
molekul Iain dengan jarak rata-rata antara tumbukan λ adalah D=λ√N. Di jaringan,
kerapatan molekul adalah sekitar 1000 kali lebih besar daripada di udara; oleh karena
itu, jauh lebih panjang di udara dari pada di jaringan. Nilai lazim untuk di air, yang
dapat berfungsi sebagai model untuk jaringan, adalah sekitar 10-11 m, dan sebuah
molekul melakukan sekitar 1012 tumbukan/dtk. Oleh karena itu, setelah satu detik di
air, jarak difusi yang paling mungkin ditempuh adalah sekitar 10 -5 m diameter sel
yang lazim atau sekitar 103 kali lebih kecil dibandingkan di udara. Jarak difusi yang
sangat pendek ini merupakan penyebab utama mengapa kapiler-kapiler di jaringan
13
harus sangat berdekatan satu sama lain. Pada otot yang aktif, sekitar seper dua belas
volumenya terisi oleh kapiler; di otot jantung, hampir setiap sel berkontak dengan
sebuah kapiler.
Gambar 3.3. Potongan kecil jaringan kapiler. Otot sfingter (S) mengalirkan aliran
darah ke kapiler.
Apabila anda memotong sekerat otot aktif dan menghitung kapilernya, anda
akan menemukan sekitar 190 kapiler/mm2. Diameter rerata kapiler adalah sekitar 20
µm, walaupun beberapa mungkin hanya berdiameter 5 µm dan sel darah merah harus
berubah bentuk agar dapat melewatinya.
14
3.3 Kerja Jantung
Pada orang dewasa normal, setiap kontraksi otot jantung memompa sekitar 80 ml
darah melalui paru dari ventrikel kanan dan volume setara ke sirkulasi sistemik dari
ventrikel kiri.
Pada proses ini, jantung melakukan kerja. Volume-volume tersebut tidak
persis sama untuk setiap kontraksi, tetapi dalam suatu periode kedua ventrikel
memompa darah sama banyak.
Tekanan di kedua pompa jantung tidaklah sama (Gambar 3.4). Di sistem
pulmonal, tekanannya cukup rendah karena rendahnya resistensi pembuluh darah di
paru. Tekanan maksimum (sistol), biasanya sekitar 3 kPa (25 mmHg), adalah sekitar
seperlima dari tekanan sirkulasi sistemik. Agar darah dapat mengalir melalui sirkulasi
sistemik yang jauh lebih besar, sisi kiri jantung hanıs menghasilkan tekanan yang
biasanya sekitar 16 kPa (120 mmHg) pada puncak (sistol) dari setiap siklus jantung.
Selama fase istirahat (diastol) dari siklus jantung tekanan biasanya adalah sekitar 10,5
kPa (80 mmHg). Otot sisi kiri jantung yang lebih tebal. Otot yang menggerakkan
ventrikel kiri memiliki ketebalan sekitar tiga kali lipat dibandingkan dengan yang di
ventrikel kanan.
Tekanan tidak banyak berkurang sampai darah mencapai arteriol dan kapiler.
Hampir seluruh penurunan tekanan terjadi di sepanjang arteriol dan jaringan kapiler
sistem sirkulasi (Gambar 3.4).
15
Daya, atau laju pemakaian energi, ∆E/∆t, oleh sebuah pompa yang bekerja
pada tekanan konstan P sama dengan hasil kali tekanan dan volume yang dipompa
per satuan waktu, ∆E/∆t.
Daya = ∆ E/∆ t = ∆ E/∆ t (1.1)
Kita dapat memperkirakan kerja fisik yang dilakukan oleh jantung dengan
mengalikan tekanan rata-ratanya dengan volume darah yang dipompa. Misalnya kita
menganggap bahwa tekanan rata-rata adalah sekitar 13 kPa (100 mmHg). Apabila
volume darah sebanyak 8 x 10-5 m3 (80 ml) dipompa setiap detik (denyut nadi
60/menit) maka dayanya adalah :
(1,3 x 104 Pa)(8 x 10-5 m3/dtk) = 1,1 J/dtk atau daya 1,1 W.
Gambar 3.4. Sistem Sirkulasi
Sistem irkulasi tekanan bervariasi. Perhatikan rendah di vena dan tekanan
yang relatif rendah di sistem pulmonaris.
16
3.4 Tekanan Darah dan Pengukurannya
Salah yang paling sering dilakukan pengukuran tekanan darah. Pengukuran
eksperimental pertama terhadap tekanan darah dilakukan pada tahun 1733 oleh Pdt.
Stephen Hales di Inggris. la secara berani menghubungkan sebuah tabung kaca 3 m
(10 kaki) ke arteri seekor kuda dengan menggunakan trakea bebek sebagai
penghubung fleksibel dan tangkai bulu bebek yang telah diperuncing untuk
melubangi arteri. Ia mendapatkan bahwa darah naik sampai ketinggian rerata 2,4 m
(8 kaki) di atas jantung.
Selama pembedahan dan di bangsal perawatan intensif, sering dilakukan
pengukuran tekanan darah secara langsung. Gambar 3.5 memperlihatkan sebuah
kateter yang dipasang di lengan; saat kateterisasi jantung, kateter didorong ke dalam
rongga-rongga jantung. Setiap beberapa menit, stopcock diputar sehingga beberapa
mililiter larutan pembilas mengalir melalui kateter untuk mencegah terbentuknya
bekuan di ujung kateter. Cairan masuk ke kubah transduser tekanan, tempat cairan
tersebut mendorong diafragma logam ke bawah. Diafragma menjadi tertekuk dan
menggerakkan suatu angker dinamo yang dililit Oleh kawat halus pengukur
ketegangan (strain).
17
Gambar 3.5. Pengukuran tekanan darah.
Pengukuran tekanan darah secara langsung. Ke dalam pembuluh darah
disusupkan melalui jarum tersebut. Kateter menyalurkan tekanan darah ke transduser
tekanan. Tekanan darah menyebabkan defleksi diafragma, sehingga terjadi perubahan
resistensi di empat kawat pengukur tegangan. Kawat T mengalami peningkatan
tegangan dan kawat C mengalami penurunan tegangan.
Metode pengukuran tekanan darah secara langsung ini tidak pernah dilakukan
rutin karena tekanan darah dapat diukur cukup dengan cara-cara tidak langsung.
Instrumen yang sering digunakan dişebut sfigmomanometer. Alat ini terdiri dari
manset tekanan dan pengukur di lengan atas serta stetoskop yang diletakkan di atas
arteri brakialis di lipat siku. Manset tekanan dikembungkan dengan cepat hingga
tekanannya dapat menghentikan aliran darah dan kemudian udara dikeluarkan secara
perlahan. Seiring dengan menurunnya tekanan manset hingga lebih rendah dari
tekanan sistolik, terjadi aliran turbulen yang menyemprot melalui arteri dan
menimbulkan getaran suara yang dapat didengar dengan stetoskop. Bunyi-bunyi ini
disebut bunyi Korotkoff Atau K. Tekanan saat bunyi K pertama kali terdengar
menunjukkan ketinggian tekanan sistolik. Seiring dengan semakin menurunnya
tekanan bunyi K semakin keras dan kemudian mereda. Saat bunyi K menghilang atau
berubah menunjukkan tekanan diastolik.
18
Gambar 3.6. Pengukuran tekanan darah
Pengukuran tekanan darah menggunakan sfigmomanometer. Aliran darah
arteri ke lengan disumbat oleh manset yang menggembung. Saat udara dikeluarkan
secara bertahap, stetoskop yang diletakkan di atas arteri brakialis digunakan untuk
mendengar bunyi Korotkoff.
Satuan pada pengukur tekanan biasanya adalah mmHg, tetapi mudah diubah
menjadi kPa [1 mmHg = 0,133 kPa]. Untuk orang yang berpengalaman menggunakan
teknik ini, ±0,3kPa (±2mmHg). Reproduksibilitas pengukuran tekanan diastolik tidak
sebaik itu ±0,7 kPa (±5 mmHg), Selain itu, keakuratan bergantung pada tingkat
kegemukan pasien dan faktor-faktor lainnya.
Tekanan di sistem sirkulasi bervariasi di seluruh tubuh. Bahkan di arteri-arteri
besar,tekanan bervariasi dari satu titik ke titik lain karena adanya gaya
gravitasi,memperlihatkan secara skematis pengukuran tekanan darah secara langsung
yang dilakukan pada orang yang sedang berdiri; manometer tabung kaca terbuka
diperlihatkan terhubung ke arteri di kaki, lengan ataş, dan kepala. Pada keadaan ini
19
darah naik ke ketinggian yang pada dasamya sama di ketiga manometer. Tekanan P
yang lebih besar di kaki disebabkan oleh gaya gravitasi (Pgh) yang dihasilkan oleh
kolom darah (dengan ketinggian h) arıtara jantung dan kaki yang ditambahkan ke
tekanan di jantung (p adalah densitas darah). Demikian juga, berkurangnya tekanan di
kepala diSebabkan letak kepala yang lebih tinggi daripada jantung. Karena air raksa
memiliki densitas kira-kira 13 kali dibandingkan dengan darah (ρ=13,6x 103 kg/m3,
ρdarah 1,04 x 103 kg/m3), suatu kolom air raksa akan memiliki fungsi sepertigabelas
dari pada tinggi kolom darah. Yaitu, apabila tekanan darah anda adalah 120/80
mmHg (yaitu 120 mmHg sistolik dan 80 mmHg diastolik), dalam milimeter darah
angkanya menjadi 1560/1040. Apabila tekanan rerata di jantung anda adalah 100
mmHg, darah di selang seperti yang tampak di Gambar 1.8a akan naik ke ketinggian
rata-rata 1300 mm atau 1,3 m di atas jantung anda.
Apabila gravitasi tiba-tiba naik menjadi tiga kali lipat (misalnya g = 30
m/dtk2), darah hanya akan naik sekitar 43 cm di atas jantung dan tidak akan mencapai
otak apabila kita berdiri. Situasi ini dapat dibuat secara artifisial dengan mempercepat
tubuh dengan percepatan a = 3 g ke arah kepala (Gambar 3.6). Hal ini juga dapat
terjadi pada sebuah pesawat terbang yang menanjak setelah menukik sehingga pilot
dapat mengalami blackout. Untuk mengurangi penimbunan darah ini dirancang baju
ketat khusus yang menekan tungkai.
20
3.5 Penerapan Prinsip Bernoulli pada Sistem Kardiovaskular
Anda Bernoulli walaupun anda tidak menganggap Bernoulli berjasa untuk ini.
Apabila suatu cairannya udara atau air, mengalir dengan cepat maka tekanan
berkurang di tepi cairan yang mengalir cepat tersebut. Sebagai contoh, aliran air yang
cepat di pancuran menyebabkan penurunan tekanan di sekitar gorden kamar mandi
sehingga gorden tersebut tertarik ke arah air. Demikİan juga, saat jendela di sebuah
mobil yang sedang berjalan diturunkan, berkurangnya tekanan menyebabkan udara
bergerak cepat keluar jen dela sehingga benda-benda terbang keluar jendela.
Prinsip Bernoulli didasarkan pada hukum konservasi (kekekalan) energi.
Tekanan dalam suatu cairan adalah bentuk suatu energi potensial, EP), karena
tekanan tersebut memiliki kemampuan untuk melakukan kerja. Dalam cairan yang
bergerak terdapat energi kinetik, EK, akibat adanya gerakan tersebut. Energi kinetik
ini dapat dinyatakan dalam besaran energi per satuan volume, misalnya joule per
meter kubik. Karena 1 jouİe (J) 1 Nm, maka 1 J/m3 1 (Nm)/m3 atau 1 N/m2 = 1 Pa,
satuan untuk tekanan pada sistem Sl. Apabila cairan mengalir melalui tabung tanpa
gesekan, seperti diperlihatkan di Gambar 1.10, kecepatan meningkat di bagian yang
menyempit dan peningkatan energi kinetik cairan diperoleh melalui penurunan energi
potensial dari tekanan di tabung. Sewaktu kecepatan kembali melambat di sisi kanan
penyempitan, energi kinetik diubah kembali menjadi energi potensial dan tekanan
kembali meningkat, seperti ditunjukkan oleh manometer.
21
Kita dapat menghitung energi kinetik rata-rata per satuan volume 10-3 kg (104
m3 = 1 ml) darah sewaktu darah meninggalkan jantung. Karena kecepatan rata-rata
adalah sekitar 0,3 m/dtk, energi kinetik dari massa darah ini adalah:
EK (1/2)mv2 (1/2) x (10-3) x (0,3)2 = 4,5 x 10-5 J. (8.3)
Karena volume yang terlibat adalah 10-6 m3, hal ini dapat dianggap sebagai
suatu energi per satuan volume 45 J/m3 dari darah yang meninggalkan jantung.
Berdasarkan alasan di paragraf sebelumnya, densitas energi ini ekivalen dengan
tekanan 45 Pa atau sekitar 0,4 mmHg. Namun, saat olahraga berat, kecepatan darah
yang dipompa oleh jantung dapat mencapai lima kali lipat dibandingkan
kecepatannya saat istirahat, dan saat puncak denyut jantung faktor energi kinetik
dapat memiliki ekivalen tekanan sebesar 10 kPa (75 mmHg) dan mungkin
mencerminkan 30% dari total kerja jantung.
Gambar 3.7. Kecepatan cairan
22
Sewaktu kecepatan cairan meningkat di bagian sempit tabung, sebagian dari
energi potensial (tekanan) diubah menjadi energi kinetic sehingga di bagian ini
tekanan menurun, P2. P2 lebih kecil dari pada P1. P3.
3.6 Seberapa Cepat Darah Anda Mengalir ?
Sewaktu darah menjauh dari jantung, arteri-arteri membentuk cabang
berulang kali untük menyalurkan darah ke berbagai jaringan. Pembuluh paling kecil
adalah kapiler. Jumlahnya jutaan, saking banyaknya pembuluh yang mengangkut
darah ini maka luas potongan melintang totalnya sebanding dengan luas tabung yang
diameternya 0,3 m. Luas potongan melintang total pembuluh darah pada sistem
sirkulasi diperlihatkan secara skematis di Gambar 3.
Sewaktu darah mengalir dari aorta ke dalam arteri-arteri yang lebih kecil dan
arteriol dengan luas potongan melintang yang lebih besar kecepatan aliran darah
berkurang seperti kecepatan aliran sungai yang melambat di bagan yang melebar.
Gambar 3.7 juga secara skematis memperlihatkan kecepatan aliran darah di berbagai
bagian sistem sirkulasi. Perhatikan bahwa kecepatan aliran darah berbanding terbalik
dengan luas potongan melintang pembuluh yang mengangkut darah, Kecepatan rata-
rata di aorta adalah sekitar 0,3 m/dtk; di kapiler, kecepatannya hanya sekitar 10 -3
m/dtk (1 mm/dtk). Di kapilerlah terjadi pertukaran O2 dan CO2, dan kecepatan yang
rendah ini memungkinkan gas-gas tersebut berdifusi.
23
Gambar 3.8. Kurva luas penampang sistem sirkulasi
Kurva terputus-putus memperlihatkan perubahan luas penampang sistem
sirkulasi secara skematis. Kecepatan aliran darah (garis tebal) berkurang seiring
dengan peningkatan luas penampang. Luas penampang total diperoleh dengan
menambahkan luas seluruh pembuluh darah yang terdapat di jarak tertentu dari
jantung. perhatikan bahwa vena kava yang mengembalikan darah ke jantung memiliki
luas penampang yang jauh lebih besar daripada aorta.
Anda jelas mengetahui adanya suatu sifat cairan yang disebut viskositas
("kekentalan”,ŋ). Sirup yang anda tuangkan ke kue mengalir dengan kecepatan yang
berbeda dibandingkan dengan krim yang anda berikan ke kopi atau air yang anda
tuangkan ke gelas. Kelicinan atau kemudahan suatu cairan dituangkan merupakan
petunjuk dari viskositasnya. Satuan SI unfuk viskositas adalah pascal-detik (Pa∙dtk).
Viskositas air adalah sekitar 10-3 Pa∙dtk pada 20oC. Viskositas sirup yang kental
mungkin mencapai 100 Pa∙dtk. Viskositas darah biasanya adalah 3 sampai 4 x 10-3
Pa∙dtk, tetapi bergantung pada persentase eritrosit di dalam darah (dikenal sebagai
24
hematokrit). dengan meningkatnya hematokrit, viskositas juga meningkat (Gambar.
3.9. Orang yang mengidap polisitemia vera, yaitu pembentukan eritrosit secara
berlebihan memiliki nilai hematokrit yang tinggi dan sering mengalami masalah
sirkulasi. Viskositas darah juga bergantung pada suhu. Sewaktu darah mendingin,
viskositas meningkat dan hal ini semakin menurunkan pasokan darah ke tangan dan
kaki yang dingin. Perubahan dari 37oC menjadi 0oC meningkatkan viskositas darah
sebanyak 2,5 kali lipat. Perokok umumnya memiliki hematokrit yang lebih tinggi
daripada bukan perokok. Hal ini mungkin disebabkan oleh kenyataan bahwa perokok
menghirup 250 ml karbon monoksida (CO) dari setiap bungkus rokok. CO
mcngurangi kemampuan eritrosit mengangkut 02 dan tubuh mengompensasikannya
dengan menghasilkan lebih banyak eritrosit. Semakin besar hematokrit, semakin
tinggi viskositas, yang meningkatkan insidensi penyakit kardiovaskular misalnya
stroke dan serangan jantung.
Gambar 3.9. resentasi sel darah
25
Seiring dengan meningkatnya presentasi sel darah, viskositas juga meningkat
sehingga aliran darah melambat.
Selain faktor lain mempengaruhi aliran darah di pembuluh darah: perbedaan
tekanan dari ujung ke ujung yang lain, panjang pembuluh, dan jari-jarinya. Untuk
memahami hukum-hukum yang mengendalikan aliran darah di sistem sirkulasi,
Porseuille pada abad ke-19 mempelajari aliran darah di dalam tabung-tabung dengan
berbagai ukuran. Hasil dari eksperimennya diringkaskan di Gambar 3.10. Hukum
Poiseuille menyatakan bahwa aliran melalui suatu tabung bergantung pada perbedaan
tekanan antara satu ujung ke ujungyang lain (PA-PB), panjang L tabung, dan jari-jari R
tabung, serta viskositas cairan. Apabila perbedaan tekanan dilipat-duakan, maka
kecepatan aliran juga meningkat dua kali. Aliran berbanding terbalik dengan panjang
dan viskositas; apabila salah satunya dinaikkan dua kali, kecepatan aliran akan
berkurang menjadi separuhnya. Penemuan Poiseuille yang paling mengejutkan
adalah bagaimana kecepatan aliran bergantung pada jari-jari tabung. Seperti yang
diperkirakannya, kecepatan aliran meningkat seiring dengan meningkatnya jari-jari
tabung; apa yang mengejutkan adalah bahwa betapa besarnya peningkatan kecepatan
aliran hanya dengan sedikit penambahan jari-jari. Sebagai contoh' apabila jari-jari
dilipat-duakan, kecepatan aliran meningkat 24 atau 16 kali lipat. Apabila semua
variabel ini digabungkan dengan Suatu konstanta agar satuan-satuan tersebut dapat
digunakan secara benari kita akan memperoleh hukum Poiseuille:
Kecepatan aliran = (PA - PB) (π/8) (1/ŋ) (R4/L) (8.4)
26
Dalam satuan SI, kecepatan aliran akan diperoleh dalam m3/dtk apa bila PA-PB
dalam satuan N/m3, ŋ dalam Pa∙dtk, serta R dan L dalam m.
Kecepatan aliran melalui sebuah tabung ergantung pada perbedaan tekanan
antara satu ujung ke ujung lain, panjang tabung, viskositas cairan, dan Jari-jari. Jari-
jari memberikan pengàruh paling besar pada kecepatan aliran.
Hukum Poiseuille berlaku untuk tabung kaku dengan jari-jari tetap. Karena
arteri-arteri besar memiliki dinding elastis dan sedikit mengembang pada setiap
denyut jantung, aliran darah di sistem sirkulasi tidak mengikuti hukum tersebut secara
persis. Selain itu, viskositas darah sedikit berubah dengan kecepatan aliran; namun,
efek ini dapat diabaikan.
3.8 Fisika Beberapa Penyakit Kardiovaskular
Penyakit jantung adalah penyebab nomor satu kematian di Amerika Serikat.
Karena sistem kardiovaskular memiliki banyak aspek fisik, penyakit jantung sering
memiliki komponen fisik. Banyak dari penyakit ini, misalnya, yang meningkatkan
beban kerja jantung atau mengurangi kemampuannya bekerja pada kecepatan normal.
Penyakit jantung yang sering menyebabkan kematian adalah serangan
jantung. Serangan jantung disebabkan oleh sumbatan satu atau le bih arteri koroner ke
ototjantung. Bagian otot jantung yang tidak menda pat pasokan darah akan mati
(infark). Penyumbatan ini tidak selalu segera memengaruhi sinyal listrik yang
27
mengendalikan denyut jantung sehingga orang yang baru mengalami serangan
jantung masih mungkin memperlihatkan hasil pemeriksaan elektrokardiogram (EKG)
yang normal.
Penyakit jantung yang umum lainnya adalah gagal jantung kongestif. Penyebab
penyakit ini belum sepenuhnya dipahami dibandingkan dengan penyebab serangan
jantung. Penyakit ini ditandai oleh pemdan berkurangnya kemampuan jantung
menghasilkan sirkulasi yang memadai.
Terapi medis untuk gagal jantung kongestif adalah menurunkan beban kerja
jantung. Pendekatan yang drastis adalah mengganti jantung secara bedah.
Transplantasi jantung sudah banyak yang berhasil. Jumlah transplantasijantungpada
tahun 1998 adalah sekitar 2300. Pada akhir tahun tersebut, hampir 90% masih hidup.
Biasanya, setiap detiknya sekitar 3700 pasien sedang menunggu untuk mendapatkan
jan tung yang cocok dari kadaver.
Pasien dengan penyakit yang sinyal listrik jantungnya kurang mampu memicu
kerja jantung sangat terbantu oleh teknologi modern. Mereka mendapat alat pacu
jantung (pacemaker) buatan untuk mengendalikan denyut jantung mereka.
28
Gambar 3.10. (a) Dua dari penyakit katup buatan yang digunakn secara rutin. Katup
ini dijahit ke jantung agar darah hanya biar bisa mengalir keatas. (b) foto sinar-X
seorang pasien yang memperlihatkan 3 katup jantung buatan.
BAB IV
PENUTUP
4.1 Kesimpulan
Dari pembahasan diatas dapat disimpulkan bahwa ilmu fisika merupakan
dasar dari berbagai kejadian-kejadian dalam kehidupan sehari-hari. Sekarang zaman
semakin modern banyak bidang ilmu baru yang semakin berkembang, ilmu kesehatan
adalah salah satu bidang ilmu yang sedang berkembang pesat, penemuan-penemuan
baru yang menjadi proyek besar bagi ilmuan yang bergerak di bidang tersebut,
sehingga semakin maju. Bidang ilmu kesehatan memiliki hubungan yang sangat erat
dengan ilmu fisika disebut fisika kesehatan. Misalkan saja sistem kardiovaskular
29
sangat erat kaitannya dengan Prinsip Bernoulli, Hukum Poiseuille, fluida, tekanan
dan lain sebagainya.
4.2 Saran
Diharapkan kepada pembaca agar dapat meneliti lebih lanjut mengenai
aplikasi yang menggunakan ilmu fisika dalam kehidupan sehari-hari.
DAFTAR PUSTAKA
Dietzel, fritz.1980.turbin, pompa dan kompresor.erlangga.jakarta
Giancoli, douglas c. 1996.FISIKA edisi keempat. Erlangga. Jakarta
Halliday, Resnick, dkk. 2002.Dasar-Dasar Fisika Versi Diperluas jilid 1. Binarupa
Aksara. Tangerang
Ishaq, Muhammad. 2006. Fisika Dasar edisi 2.Graha Ilmu. Yogyakarta
Jewet, Serway. 2009. Fisika Untuk Sains dan Teknik. Salemba Teknika. Jakarta
Wylie, E. Benjamin.1996.mekanika fluida. Erlangga. Jakarta
https://alifis.wordpress.com/2009/10/02/seri-fisika-kesehatan_jantung-pembuluh/
https://books.google.co.id/books?id=GjFTyrk_61wC&dq=fisika+tubuh+manusia
30
https://books.google.co.id/books?
id=x9OOphMNmxwC&pg=PR16&dq=fisika+kardiovaskuler
31