biomekanika fisika
DESCRIPTION
fisikaTRANSCRIPT
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