Untuk menjelaskan bagaimana kesesuaian sistem tubuh
terhadap hukum-hukum Fisika dapat dijelaskan dengan berbagai contoh berikut.
a. Listrik berperan penting di dalam kontrol
sistem fungsi tubuh manusia. Muatan listrik menentukan respon seluler terhadap
stimulasi, meliputi resting state, treshold state, active
state. Resting state adalah respon dasar sel saat besar stimulasi di
bawah batas minimum aktifasi sel; threshold state adalah respon sel saat
besar stimulasi mencapai batas minimum aktifasi sel; active state adalah
respon sel saat besar stimulasi melebihi batas minimum aktifasi sel. Bentuk
aktifasi sel beragam, bergantung jenis dan fungsi sel, contoh : sel endokrin
mensekresi hormon, sel B limfosit mensekresi antibodi, sel makrofage yang
melakukan fagositosis dan sel otot yang berkontraksi.
Di
dalam tubuh manusia, kita mengenal dua bagian kompartemen besar yang berisi
cairan. Bagian yang terletak di dalam sel, dibatasi oleh membran sel disebut
cair intra sel (cis). Sedangkan bagian yang terletak di luar sel disebut dengan
cair ekstra sel (ces). Komponen penyusun cis dan ces sebagian besar adalah
elektrolit yang mengandung ion bermuatan listrik. Semakin besar perbedaan muatan listrik antara cis
dan ces, semakin besar pula potensi listrik
yang dihasilkan. Perbedaan muatan listrik antara cis dan ces inilah yang
disebut dengan beda potensial membran.
Komposisi di dalam cis
dan ces bersifat dinamis dan selalu berubah, mengingat kedua kompartemen
tersebut saling berhubungan. Pada saat resting, komposisi ion cis dan
ces menghasilkan bedaan muatan listrik, dimana muatan listrik cis lebih kecil
dibandingkan dengan muatan listrik ces. Beda potensial tersebut terukur dengan
galvanometer menghasilkan nilai negatif (pada sel syaraf = -70 m volt). Nilai
negatif mengisaratkan bahwa muatan listrik cis kurang 70 volt daripada ces.
Artinya, muatan positif relatif lebih banyak pada ces, sedangkan muatan negatif
relatif menumpuk di cis. Perbedaan inilah yaang kemudian disebut dengan resting
membrane potensial (RMP).
Hukum Coulomb yang
menyatakan bahwa gaya tarik (F) yang diciptakan oleh RMP adalah berbanding
lurus dengan besar muatan ion (Q) yang berada di cis maupun di ces dan
berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (r2) antara cis
dan ces. Fenomena ini disebut
dengan bioelektrostatika.
Kuadrat jarak antara
cis dan ces dipahami sebagai tebal membran sel; semakin tabal membran sel maka
semakin kecil gaya tarik (F) yang ditimbulkan, artinya potensi listrik statis
juga semakin kecil. Sel cenderung tidak mudah dirangsang atau kurang sensitif. Contoh
adalah sel syaraf yang berselubung myelin pada bagian aksonnya. Selubung myelin
menyebabkan ketebalan membran akson syaraf bertambah sehingga pada bagian yang terdapat
myelin, akson syaraf menjadi kurang sensitif atau tidak mudah dirangsang.
b. Manusia
diciptakan mampu berdiri dan berjalan dengan tegak, berbeda dengan golongan
kera atau simpanse. Prinsip inilah yang penting untuk selalu diingat dan
menjadi acuan dasar mendiskusikan biomekanika tubuh manusia. Tuhan
menganugerahkan 2 pasang extremitas, yaitu : tangan dan kaki sebagai anggota
gerak utama. Organ tubuh utama di dalam biomekanika adalah otot dan rangka.
Kedua organ tersebut membentuk sistem lokomotoris. Otot merupakan jaringan
kontraktil yang memiliki elastisitas. Gaya yang dihasilkan oleh otot sebenarnya
mirip dengan gaya pada pegas, yang disebut dengan gaya recoil. Sifat dari gaya
recoil adalah makin diregang, makin besar gaya reaksi yang dikeluarkan otot
tersebut. Hal ini sesuai dengan Hukum Frank Starling. Selain otot, gaya recoil
juga dimiliki oleh jaringan kontraktil lain seperti kolagen dan jaringan ikat
penyekat antar alveolus. Biomekanika tubuh manusia dapat dipandang pada dua
fungsi utama, yaitu stabilitas saat diam dan bergerak. Stabilitas saat diam dan
bergerak melibatkan beberapa sistem gaya yang bekerja baik pada tubuh maupun
pada lingkungan. Kontrol dan manipulasi terhadap sisitem gaya inilah yang
diyakini menjadi penjelasan berbagai fenomena medis.
Pemahaman tentang
stabilitas statis tidak terlepas dari pengertian sistem tuas tubuh.
Pada dasarnya keseimbangan sistem gaya tubuh dibedakan
menjadi 3 sistem tuas. Sistem tuas yang pertama menempatkan pengumpil (o)
berada diantara gaya berat (w) dengan gaya yang ditimbulkan oleh respon
konraksi otot (m). Salah satu contoh aplikasi sistem tuas pertama adalah
kemampuan menegakan kepala dan leher. Berat kepala (w) direspon oleh gaya dari
sekumpulan otot penyangga kepala dan leher.
c. Fluida
diartikan sebagai zat alir atau zat yang memiliki sifat mengalir. Tubuh manusia
memliki 2 macam zat yang mengalir, yaitu udara di dalam
saluran napas dan darah di dalam pembuluh darah. Karakteristik antara fluida
cair dan gas berbeda dalam beberapa hal. Sifat fluida gas molekul penyusunya
bebas bertumbukan. Inilah sumber dari tekanan fluida gas yang tidak pernah
tegak lurus terhadap bidang tekan. Sedangkan fluida cair memiliki molekul yang
lebih terikat longgar, karena itu terdapat gaya adhesi dan kohesi. Tekanan
fluida cair muncul akibat gravitas sehingga selalu tegak lurus terhadap bidang tekan.
Fluida Gas Pada Respirasi
Gas merupakan bahan
baku proses respirasi. Sebagian orang berpendapat bahwa gas yang dihirup saat
inspirasi berbeda dengan gas yang keluar saat ekspirasi. Pendapat ini telah
lama dipathkan oleh Dalton yang mengungkapkan 2 hukum penting, yaitu:
1. tekanan udara merupakan kumulatif dari tekanan parsial
komponen gas penyusunya,
2. komponen tekanan parsial O2 selalu lebih
besar dari CO2 baik saat inspirasi maupun
ekspirasi.
Gas yang masuk ke
dalam paru saat insprasi mengisi sebagian besar jalan napas mulai dari saluran
napas atas yang berdiameter besar hingga saluran napas bawah yang berdiameter
lebih kecil. Gas yang kaya O2 ditukar dengan CO2 yang
dibawa oleh darah. Pertukaran ini hanya terjadi di alveolus, sedangkan komposisi
gas di saluran napas lain hampir tidak berubah. Hal inilah yang menyebabkan
tekanan dan presentase O2 saat ekspirasi tetap lebih besar. Hukum
Dalton menjelaskan mengapa prosedur pemberian napas buatan aman dilakukan dan
sangat bermanfaat. Gas ekspirasi merupakan bahan baku pemberian napas buatan.
Alveolus merupakan
unit fungsional dari sistem respirasi. Alveolus harus terus mengembang dan
tidak boleh kolaps. Upaya tubuh menjaga alveolus untuk tetap mengembang
dipengaruhi oleh dua faktor, yaitu : tegangan permukaan yang tinggi pada dinding
alveolus dan sisa udara ekspirasi yang tertinggal (residual volume) sebagian di
dalam alveolus.
Tekanan di dalam
alveolus berbanding lurus dengan besar tegangan permukaan, namun berbanding
terbalik dengan besar jejari atau volume alveolus. Pernyataan ini dinyatakan
Laplace dalam sebuah Hukum yang diringkas dalam sebauah persamaan, yaitu
; P = tekanan intra alveolus , 
= tegangan permukaan , R = jari-jari.
Aliran udara masuk dan
keluar paru berlangsung dengan tidak mudah karena terdapat tahanan atau
resistensi sepanjang jalan napas. Resistensi berbanding lurus dengan besar tekanan
udara di dalam jalan napas dan berbanding terbalik dengan kecepatan alir udara melewati
jalan napas. Hal ini dinyatakan oleh Ohm melalui hukum yang diringkas dalam sebuah
persamaan berikut
; 
= resistensi , 
= tekanan , v = kecepatan alir.
Sesak napas dapat disebabkan oleh peningkatan tekanan
udara yang melalui jalan napas, seperti pada kondisi emfisema dimana begitu besar
tekanan udara di dalam paru melalui saluran napas yang menyempit saat
ekspirasi. Sebaliknya penurunan kecepatanalir udara insprasi menunjukan adanya resistensi yang besar
terutama pada saluran napas atas. Kondisi ini menunjukan adanya obstruksi, baik
yang bersifat parsial maupun total. Untuk mendapatkan volume paru sebenarnya
diperlukan konversi melalui aplikasi hukum Boyle Gay Lussac yang meyatakan
bahwa hasil kali dari tekanan dan volume akan tetap selamanya konstan sehingga
bila tekanan dan volume diukur pada dua kondisi berbeda, hasil kalinya tetap
akan sama. Kondisi berbeda tersebut adalah tekanan,volume dan suhu alat
spirometer serta tekanan, volume dan suhu tubuh.
= P atm – P
spirometer pada suhu 
= suhu spirometer
dalam K
= hasil pengukuran
spirometer
= P atm – P tubuh
pada suhu 
= suhu tubuh dalam K
= volume paru
sesungguhnya
Pengukuran volume udara respirasi dilakukan dengan cara
tidak langsung, yaitu melalui alat yang disebut spirometer. Alat ini mencatat
volume udara saat inspirasi maupun ekspirasi dalam bentuk grafik yang mengikuti
gerakan napas. Kelemahan pengukuran menggunakan spirometer adalah tidak mampu
mengukur volume residu dan volume paru yang diperoleh belum menggambarkan kondisi
sebenarnya.
Fluida Darah Pada Sirkulasi
Fluida cair yang
mengalir di dalam pembuluh darah disebut dengan darah. Kecepatan
alir darah melalui pembuluh darah bergantung pada beberapa
faktor antara lain: luas penampang pembuluh darah, perubahan tekanan, panjang
pembuluh darah dan viskositas.
Hukum Kontinuitas
menyatakan bahwa volume cairan per satuan waktu (Q) yang keluar sama dengan
yang masuk. Semakin kecil luas penampang pembuluh darah, semakin cepat laju
alir darah. Hukum Kontinuitas membuktikan luas penampang mempengaruhi kecepatan
alir darah.
Bernauli menyatakan
sebuah hukum yang mirip dengan hukum kontinuitas. Hukum
Bernauli memperbaiki kelemahan dari kontinuitas yang
tidak memperhitungkan faktor massa jenis dan beda ketinggian. Hukum Bernauli
menyatakan bahwa energi dari sebuah fluida cair adalah konstan. Bernauli ikut membuktikan
kebenaran dari hukum kekekalan energi.
E = C
W + Ep + Ek = C
P. V + ½ m v2 + mgh = C
P.V + ½ ρ v2 + ρgh
= C
Tekanan darah yang mengalir
di dalam pembuluh darah menentukan sifat aliran.
Aliran darah dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu aliran
laminar dan tubulen. Arah aliran laminar sejajar dengan bidang pembuluh darah
yang dilalui dan bersifat tenang. Sedangkan aliran turbulen arahnya berputar
dan tidak terkendali.
Pada massa jenis dan
viskositas yang tetap, perubahan sifat aliran darah dari laminar menjadi
turbulen disebabkan oleh peningkatan tekanan (P) dan kecepatan (v). Perubahan aliran
darah dapat diprediksikan melalui pengukuran bilangan Reynould. Bilangan Reynould
yang melebihi 2000 menujukan potensi aliran turbulensi pada pembuluh darah tersebut.
Hal ini mengindikasikan adanya peningkatan tekanan yang dapat disebabkan faktor
internal atau eksternal. Salah satu faktor internal yang sering dikaitkan
dengan aliran turbulensi adalah atherosklerosis.
0 komentar:
Posting Komentar