TERHADAP ASPEK FISIOLOGI, MOTORIK,
DAN PSIKOLOGI MANUSIA
LOVELY LADY
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Analisa Pengaruh Akselarasi dan Arah Getaran Mekanik terhadap Aspek Fisiologi, Motorik, dan Psikologi Manusia adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Bogor, Februari 2013
Lovely Lady
© Hak Cipta milik IPB, tahun 2013
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah, dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB.
Dilarang mengumumkan atau memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.
ANALISA PENGARUH AKSELARASI GETARAN MEKANIK
TERHADAP ASPEK FISIOLOGI, MOTORIK,
DAN PSIKOLOGI MANUSIA
LOVELY LADY
Disertasi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh Gelar Doktor pada
Departemen Teknik Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
LOVELY LADY. Analyzing of Acceleration and Direction of Mechanical Vibration to Physiological, Motoric and Psychological of Human. Under direction of SAM HERODIAN, BAMBANG PRAMUDYA N., and I DEWA MADE SUBRATA.
Machinery has helped human work but also generate mechanical vibration. Mechanical vibration has disturbed human performance. This research analyzed effect of mechanical vibration to human in laboratory. Simulator was designed based on mechanical concept. It vibrates at frequency below 50 Hz and acceleration between 1 m/sc2 and 10 m/sc2, like vibration in sugar cane factory. Objective of this paper is analyzing effect of mechanical vibration to exhausted, energy, response time, and human discomfort at some levels of vibration accelerations. Simulator has produced vibration in six levels of acceleration. Fourteen subjects participated in this simulation. Human exhausted was measured by flicker test, working energy based on human heart rate, discomfort based on respondent questioner, and response time based on response time simulation. On this research, WBV didn’t have significant effect on human exhausted. Curve of working energy and response time have the similar shapes, increased as polynomial pattern as increased of acceleration simulation. Longer stimulus time and higher working energy happened at acceleration 1.5 m/sc2 – 4.5 m/sc2. Graph of discomfort had power curve shape, because discomfort was subjective judgment which involved human sensor. Effect of vibration on horizontal direction is higher from vertical direction on working energy, response time, and discomfort of human.
Keywords : Whole Body Vibration, physiological, psychological, motoric. response time.
Getaran mekanik merupakan dampak fisik yang hampir selalu terjadi pada mesin-mesin yang sedang beroperasi. Getaran dapat terpapar kepada operator dalam bentuk Whole Body Vibration (WBV) atau Tool Hand Vibration (THV).
Pekerjaan pengolahan lahan dan hasil pertanian menggunakan sistem mekanisasi mengakibatkan operator terpapar getaran dalam tingkat tidak aman.
Penelitian efek getaran terhadap manusia umumnya menilai getaran dari ukuran frekuensi, karena frekuensi berhubungan dengan efek resonansi bagian tubuh. Pengaruh efek akselarasi getaran masih sedikit diteliti, akselarasi dan frekuensi mengukur getaran dari pendekatan yang berbeda. Secara umum penelitian ini bertujuan menganalisa efek kenaikan akselarasi getaran mekanik dan arah getar terhadap kelelahan, energi kerja, waktu respon, dan ketidaknyamanan yang dirasakan oleh manusia.
Novelty dalam penelitian ini merupakan eksplorasi terhadap bagaimana getaran berpengaruh terhadap manusia dilihat dari perubahan nilai akselarasi dari 1 sampai 10 m/dt2 dan perbandingan pengaruh setiap arah getar translational terhadap aspek fisiologi, motorik, dan ketidaknyamanan operator.
Penelitian dilakukan dalam tiga tahap yaitu membangun simulator, simulasi, dan terakhir pengolahan dan analisis data. Membangun simulator dilakukan di Laboratorium Lapangan Teknik Mesin dan Biosistem IPB. Simulasi getaran dilakukan di Laboratorium Ergonomika Departemen Teknik Mesin dan Biosistem IPB.
Simulasi dilakukan selama bulan Oktober 2012 dengan 14 orang responden terdiri atas mahasiswa dan karyawan Departemen Teknik Mesin dan Biosistem IPB. Responden duduk di atas meja getar sehingga terpapar getaran dalam bentuk Whole Body Vibration. Setiap responden akan menjalani simulasi selama tiga puluh lima menit yang terdiri atas enam kondisi dengan getaran dan satu kondisi tanpa getaran. Setiap kondisi membutuhkan waktu lima menit. Getaran meja getar arah vertikal sesuai posisi vertikal responden yaitu arah naik turun, sedangkan arah horizontal adalah arah depan-belakang (fore-aft) dari responden. Akselarasi getaran yang digunakan dalam penelitian ini bervariasi antara 1 m/dt2
berdasarkan grafik fatigue-decreased proficiency dari ISO 2631 untuk terpapar getaran selama lima menit. Frekwensi getaran antara 9 Hz sampai 30 Hz.
Selama simulasi, responden melakukan kegiatan pengoperasian komputer. Pengukuran getaran menggunakan accelerometer tipe dual channel data collector dan pemasangan sensor menggunakan magnet pada tempat duduk responden. Tingkat kelelahan dilihat dari kemampuan mata responden melihat frekuensi kedipan cahaya menggunakan flicker. Waktu respon akan terekam langsung pada komputer selama kegiatan simulasi. Rata-rata denyut jantung diukur menggunakan heart rate monitor. Ketidaknyamanan merupakan penilaian subjektif yang dilakukan oleh responden terhadap getaran yang dirasakan. Penilaian ketidaknyamanan dilakukan menggunakan kuesioner.
Dalam pengolahan data nilai akselarasi getaran dikelompokkan atas 9 tingkat akselarasi yaitu a < 0,5 m/dt2, 0.5 < a < 1,5 m/dt2, 1,5 < a < 2,5 m/dt2, 2,5 < a < 3,5 m/dt2 3,5< a < 4,5 m/dt2, 4,5< a < 5,5 m/dt2 5,5< a < 6,5, 6,5< a < 8,5, dan 8,5< a < 10,5 m/dt2. Pengelompokkan data bertujuan agar setiap pengaruh akselarasi terhadap variable penelitian disebabkan oleh kondisi getaran yang sama. Penelitian ini lebih memfokuskan pada pengaruh kenaikan akselarasi dari 0 sampai 6 m/dt2, karena data lebih lengkap tersedia hanya sampai akselarasi 6 m/dt2. Untuk selanjutnya nilai akselarasi dalam pengolahan data diwakili oleh nilai tengah setiap level.
Nilai rata-rata akselarasi diperoleh dari nilai Root Mean Square akselarasi untuk ketiga arah getar. Tidak digunakan nilai Vibration Dose Value (VDV)
karena nilai crestfactor yang dihasilkan berada dibawah 1. Jika crestfactor lebih dari 9 maka digunakan nilai VDV sebagai rata-rata akselarasi untuk menjamin efek dari getaran kejut ikut dipertimbangkan.
Berdasarkan pengujian menggunakan flicker tidak terdapat perbedaan nilai
Critical Frequency of Flicker (CFF) yang menggambarkan tingkat kelelahan pada berbagai kondisi getaran. Data CFF menunjukkan pola garis datar. Energi kerja dihitung berdasarkan rata-rata denyut jantung selama simulasi berdasarkan pola energi yang dikeluarkan oleh masing-masing responden. Berdasarkan uji anova ( = 0,05) tidak terdapat perbedaan signifikan energi yang dikeluarkan
grafik, pola energi kerja akibat getaran sampai 6 m/dt2 adalah pola kuadratik. Energi kerja naik dengan meningkatnya akselarasi dan menurun setelah nilai akselarasi 3,5 m/dt2. Energi terbesar terjadi pada nilai akselarasi antara 3,5 m/dt2. Pada akselarasi 3,5 m/dt2 responden lebih merasakan efek getaran, guncangan akibat getaran lebih terasa, sehingga berdampak pada peningkatan energi kerja. Semakin meningkat akselarasi berarti perubahan posisi gelombang getar semakin cepat sehingga guncangan akibat getaran yang dirasakan responden mulai berkurang. Intensitas getaran yang semakin tinggi berpengaruh pada fisiologi manusia berupa penurunan energi kerja. Jika akselarasi getaran terus meningkat, kurva energi kerja akan kembali naik setelah akselarasi 7,5 m/dt2. Saat akselerasi di atas 9,8 m/dt2 (1 g) getaran tinggi mulai berpengaruh negatif terhadap organ tubuh manusia. Rasa tidak nyaman sampai sakit mulai dirasakan pada organ-organ tubuh tertentu dengan terus meningkatnya getaran.
Pola waktu respon akibat pengaruh getaran sama dengan pola energi kerja. Pada kondisi getaran sampai akselarasi 6 m/dt2 menghasilkan pola berupa kurva kuadratis dengan nilai performansi terendah terjadi pada akselarasi 3,5 m/dt2.
Hasil uji anova terhadap tingkat ketidaknyamanan ( = 0.01) pada berbagai kondisi getaran menunjukkan terdapat perbedaan signifikan ketidaknyamanan yang dirasakan antara terpapar berbagai getaran dan tidak terpapar getaran. Kurva tingkat ketidaknyamanan berbentuk kurva pemangkatan (power). Untuk menghilangkan pengaruh kebisingan disamping getaran maka simulasi juga dilakukan saat responden menggunakan earplug. Kurva yang dihasilkan tetap berupa kurva power dan tidak ditemukan perbedaan signifikan adanya pengaruh kebisingan disamping getaran terhadap kenyamanan.
Pengaruh arah getar horizontal lebih besar dari pada arah vertikal terhadap energi kerja, dengan perbandingan pengaruh arah getar fore-aft : lateral : vertikal = 1,7 : 1,2 : 1. Pengaruh arah getar horizontal juga ditemukan lebih besar terhadap waktu respon, dengan dengan perbandingan pengaruh arah getar fore-aft : lateral : vertikal = 1,2 : 1,7 : 1. Pengaruh arah getar horizontal juga lebih besar terhadap ketidaknyamanan dengan perbandingan pengaruh arah fore-aft: lateral : vertikal = 1,9 : 2,2 : 1.
Penulis dilahirkan di Pariaman Sumatera Barat pada tanggal 17 Januari 1971 sebagai anak pertama dari pasangan Hasan Basri dan Asma. Pendidikan sarjana ditempuh pada Departemen Tenik dan Manajemen Industri ITB, lulus tahun 1994. Pada tahun 1997 penulis melanjutkan pendidikan pada jurusan Transportasi Pascsarjana ITB dan lulus tahun 2000. Kesempatan untuk melanjutkan ke program doktor pada mayor Teknik Pertanian, Departeman Teknik Mesin dan Biosistem IPB diperoleh pada tahun 2008. Beasiswa pendidikkan pascasarjana diperoleh dari Dirjen Dikti melalui program BPPS.
Penulis bekerja sebagai dosen pada jurusan Teknik dan Manajemen Industri (TMI) Universitas Sultan Ageng Tirtayasa Banten, dalam kelompok keahlian Analisis Perancangan Kerja dan Ergonomi. Sebelum melanjutkan pendidikan doktor, penulis banyak terlibat dalam pengembangan laboratorium dan menjabat sebagai kepala laboratorium Jurusan TMI.
Penulis telah menjadi anggota Perhimpunan Ergonomi Indonesia (PEI) sejak tahun 2007. Karya ilmiah berjudul Analisis variasi paparan getaran Whole Body vibration (WBV) pada pengendara sepeda motor telah disajikan di dalam seminar : Serving Humanity for a Better Life , National Conference of Indonesia Ergonomic Society 2011, pada bulan September 2011 di Universitas Indonesia, Jakarta. Sebuah artikel berjudul Design of Vibration Simulator with Output Vibration in Translational Direction telah diterbitkan pada International Journal of Scientific and Engineering Research volume 3, issue 12, Desember 2012. Artikel lain berjudul Analyzing of RMS Acceleration (aRMS) of Mechanical Vibration to Physical and Psychological Response sedang dalam proses revisi pada jurnal Industrial Engineering & Management Systems – Korea. Karya-karya ilmiah tersebut merupakan bagian dari program S3 penulis.
Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunianya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak awal tahun 2010 ini adalah efek getaran mekanik dalam arah translational terhadap manusia.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr. Ir Sam Herodian, MS, Bapak Prof. Dr. Ir. Bambang Pramudya N., M. Eng, dan Bapak Dr. Ir. Dewa Made Subrata, M.Agr. yang telah banyak memberi saran. Disamping itu penghargaan disampaikan kepada adik-adik program S1 dan S2 serta karyawan Departemen Teknik Mesin dan Biosistem yang telah menjadi responden dalam penelitian penulis.. Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada ibu, suami, serta kedua anak penulis, atas segala doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Februari 2013
Lovely Lady
Penguji pada Ujian Tertutup: 1. Dr Ir. Desrial, M. Eng.
2. Dr. Ir. M Fais Syuaib, M. Agr.
Penguji pada Ujian Terbuka: 1. Dr. Ir. Iftikar Z. Sutalaksana 2. Dr. Lenny Saulia, STP. MSi.
terhadap Aspek Fisiologi, Motorik, dan Psikologi Manusia
Nama : Lovely Lady
NIM : F164080071
Disetujui Komisi Pembimbing
Dr. Ir Sam Herodian, MS Ketua
Prof. Dr. Ir. Bambang Pramudya N, M. Eng Dr. Ir. Dewa Made Subrata,M.Agr. Anggota Anggota
Mengetahui
Ketua Departemen Teknik Pertanian Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Ir. Wawan Hermawan, MS Dr. Ir. Dahrul Syah, MScAgr Tanggal ujian : 2 April 2013 Tanggal lulus :
Whole Body Vibration (WBV) : Getaran pada seluruh tubuh pekerja yang bekerja sambil duduk atau sedang berdiri dimana landasannya menimbulkan getaran
Tool Hand Vibration (THV) : Merupakan getaran setempat yaitu getaran yang merambat melalui tangan akibat pemakaian peralatan yang bergetar.
Translational : Getaran searah sumbu koordinat
Rotational : Getaran dalam bentuk gerakan berputar
Lateral : Arah getaran dari kiri ke kanan pada posisi orang berdiri atau duduk
Fore-aft : Arah getaran dari depan ke belakang pada posisi orang berdiri atau duduk
Vertikal : Arah getaran atas ke bawah pada posisi orang berdiri atau duduk (kepala ke kaki dan sebaliknya)
Level akselarasi (L): diukur dengan satuan dB (decibels) yang berpatokan pada skala akselarasi 10-6m/dt2 = 0 dB.
Root Mean Square Acceleration (aRMS): akar pangkat dua dari penjumlahan kuadrat setiap arah getar.
Frequency weighted : Faktor pengali untuk penghitungan nilai total getaran yang mempertimbangkan nilai frekuensi.
Faktor pengali : Menggambarkan pengaruh relatif diantara arah getaran.
Cresfactor adalah rasio antara nilai awmax terhadap awRMS
Vibration dose value (VDV) : Akar pangkat empat dari penjumlahan pangkat empat setiap arah getar.
Critical Frequency of Flicker (CFF) adalah rata-rata otak manusia menangkap frekuensi kedipan cahaya lampu berulang-ulang.
Tactil sensor : Sensor yang berhubungan dengan sentuhan, tekanan atau gaya dari luar.
Fisiologi : Bagaimana tubuh manusia dapat berfungsi agar dapat bertahan hidup dan berkembang biak.
Sistem Cardiovascular : Sistem peredaran darah
Psikologi : Berhubungan dengan apa, bagaimana, dan mengapa suatu tingkah laku terjadi.
menemukan, mengetahui, dan memahami informasi. Motorik : Gerakan yang dilakukan oleh tubuh.
xi
DAFTAR TABEL ……….. xiii
DAFTAR GAMBAR ………. xiv
DAFTAR LAMPIRAN ……….. xvi
PENDAHULUAN ...……… Latar Belakang ……….. 1 Perumusan Masalah ……….. 4 Tujuan Penelitian ……….. 4 Manfaat Penelitian ……… 4 Kebaruan Penelitian ..……… 5 TINJAUAN PUSTAKA Getaran Mekanik ……….. 6 Ukuran Getaran ………. 8
Pengukuran Getaran pada Manusia ……….. 10
Frekwensi Weighted ……….. 12
Efek Getaran terhadap Manusia ………... 14
Getaran Akselarasi Tinggi ………. 16
Standar Keamanan Paparan Getaran terhadap Manusia …………... 17
Energi Kerja ……….. 20
Metode Step Test ……….. 21
Kecepatan Reaksi Manusia ……… 21
Menilai Kondisi Tubuh dengan Angka Critical Frequency of Flicker (Wellnes number) ………... 22
Penerimaan Stimulus oleh Sensor Tactile …...……… 23
METODE PENELITIAN Hipotesis dan Variabel Penelitian ……….………. 26
Prosedur Percobaan ……….……….. 26
Sampling Operator ……….……… 27
Pengukuran ……….………... 28
Pengolahan Data ……….………... 30
Pengaruh Getaran terhadap Aspek Fisiologi, Motorik dan Psikologi Manusia ……….………. 31
Pengaruh Arah Getaran terhadap Waktu Respon dan Fisiologi Manusia ... 32
RANCANGAN SIMULATOR GETARAN DENGAN OUTPUT ARAH GETAR DOMINAN VERTIKAL DAN HORIZONTAL Konsep akselarasi getaran pada simulator ……….. 32
xii
Meja getar ……….…. 35
Pengkondisian getaran ……….…...….… 36
Pengumpulan data getaran ……….……..….. 38
Hasil pengujian simulator ……….…. 38
EFEK GETARAN MEKANIK DAN ARAH GETARAN TERHADAP MANUSIA Pengaruh Akselerasi Getaran terhadap Manusia ………... 40
Pengaruh Akselerasi Getaran terhadap Tingkat Kelelahan ………... 41
Pengaruh Akselarasi Getaran terhadap Energi ……..……….. 42
Pengaruh Akselarasi Getaran terhadap Waktu Respon Manusia ….... 48
Pengaruh Akselarasi Getaran terhadap Ketidaknyamanan ………... 52
Pengaruh Arah Getaran terhadap Kemampuan Motorik, Fisiologi, dan Ketidaknyamanan Manusia ... 54
Aplikasi Hasil Penelitian ... 60
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan ... 61
Saran ... 61
DAFTAR PUSTAKA ... 62
xiii
DAFTAR TABEL
1 Studi efek getaran terhadap manusia yang sudah dilakukan ……… 2
2 Arah positif dan negatif akselarasi berdasarkan NASA ………... 8
3 Karakteristik segmen tubuh dibawah getaran vertikal WBV ……… 15
4 Kecepatan getaran simulator tanpa pemberian pegas dan ukuran sabuk yang digunakan …….……….….... 36
5 Rata-rata nilai CFF per-level akselarasi ………... 42
6 Rata-rata energi per-level akselarasi ………….…………...……… 44
7 Konsumsi energi pada kondisi terpapar getaran ……… 45
8 Perbandingan denyut jantung responden saat terpapar getaran ……..… 45
9 Rata-rata waktu respon per-level akselarasi ………..……….. 49
10 Rata-rata tingkat ketidaknyamanan per-level akselarasi ………..…….. 54
11 Faktor pengali arah getaran terhadap waktu respon ... 56
12 Faktor pengali arah getaran terhadap energi ... 58
xiv 1 Arah getaran Whole Body Vibration pada getaran translational
(x,y,z) dan rotasional (Rx, Ry, Rz) ……… 7
2 Kesepakatan arah positif akselarasi getaran berdasarkan NASA …. 8
3 Getaran sinusoidal untuk jarak perpindahan, kecepatan dan akselarasi ………. 10
4 Weighting factor berdasarkan ISO .……… 13
5 Batas aman untuk kenyamanan kerja karena paparan WBV berdasarkan ISO 2631 ………. 18
6 Tiga kriteria utama yang digunakan untuk menilai pengaruh WBV ... 19
7 Langkah-langkah penelitian ……….……… 25
8 Skedul simulasi dalam satu kali jalan ….………. 26
9 Skema proses simulasi ………... 27
10 Tampilan pada layar komputer untuk uji waktu respon ……….. 29
11 Mekanisme perubahan gerak rotasi motor listrik menjadi gerakan linier (a) ukuran komponen (b) komponen mesin ….……... 34
12 Perhitungan panjang keliling sabuk V ……….. 35
13 Skema simulator getaran pada (a) posisi tuas vertikal (b) posisi tuas Horizontal ……….……… 38
14 Plot data CFF pada beberapa akselarasi getaran ….………. 43
15 Pola energi kerja interval akselarasi ……… 46
16 Analisis pengaruh stimulus getaran terhadap kenaikan energi dan waktu respon ………... 47
17 Analisis pola energi dan waktu respon akibat kenaikan akselarasi getaran ……….... 48
18 Pola energi kerja pada nilai akselarasi getaran sampai 10 m/s2 ……… 48
19 Pola waktu respon manusia per-interval akselarasi .………. 50
20 Pola waktu respon sampai nilai akselarasi getaran sampai 10 m/s2 … 51
21 Perbandingan pengaruh akselarasi getaran terhadap energi kerja dan waktu Respon ………. 52
xv (a) Responden ke-6 (b) Responden ke-8 ……….……. 52 23 Contoh pola waktu respon akibat kenaikan akselarasi getaran
(a) Responden ke-2 (b) Responden ke-11 ……….… 53 24 Pola ketidaknyamanan per-interval akselarasi karena pengaruh
getaran dan kebisingan ………...……… 54 25 Perbandingan kurva pengaruh akselarasi getaran terhadap energi
(a) tanpa faktor pengali terhadap (b) dengan faktor pengali ... 57 26 Perbandingan kurva pengaruh akselarasi getaran terhadap waktu
respon(a) tanpa faktor pengali terhadap (b) dengan faktor pengali ... 59 27 Perbandingan kurva pengaruh akselarasi getaran terhadap
ketidaknyamanan (a) tanpa faktor pengali (b) dengan faktor
xvi 1 Formulir kesediaan responden ……….. 69 2 Data responden ………. 70 3 Desain simulator ……….……… 71 4 Hasil pengukuran simulator getaran arah dominan vertikal ………….. 77 5 Hasil pengukuran simulator getaran arah dominan horizontal ……….. 78 6 Contoh analisa FFT getaran saat simulasi ………. 79 7 Nilai cresfactor pada sampel getaran ……….…. 97
8 Nilai Critical Frequency Flicker (CFF) manusia pada berbagai
tingkat akselarasi dan hasil uji t………..…... 99 9 Rumus energi kerja setiap responden ……… 103 10 Energi selama simulasi berdasarkan tingkat akselarasi (kkal/mt)
dan hasil uji t………... 105
11 Waktu respon manusia berdasarkan tingkat akselarasi dan
hasil uji t ……….. 109 12 Perubahan energi (kkal/menit) per-responden akibat perubahan
akselarasi getaran ………..……….….. 113 13 Perubahan waktu respon (ms) per-responden akibat perubahan
akselarasi getaran ………..……..… 114 14 Nilai ketidaknyamanan berdasarkan tingkat akselarasi dan
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perkembangan teknologi permesinan telah membantu pekerjaan manusia di berbagai bidang. Dalam industri produksi penggunaan mesin telah menggantikan tenaga manusia sehingga mampu berproduksi secara masal. Namun penggunaan mesin produksi juga menghasilkan lingkungan fisik kerja yang buruk bagi manusia. Getaran mekanik merupakan dampak fisik yang hampir selalu terjadi pada mesin-mesin yang sedang beroperasi. Getaran dapat terpapar kepada operator dalam bentuk Whole Body Vibration (WBV) atau Tool Hand Vibration (THV). Beberapa penelitian telah dilakukan untuk melihat efek getaran. WBV dapat menimbulkan keluhan tidak nyaman pada operator, menaikan beban mental (Newell 2008), pengaruh terhadap aktifitas otot belakang (Santos 2008), sampai gangguan keseimbangan (Mani 2010) tergantung kepada amplitudo, akselerasi, dan lama terpapar getaran.
Pekerjaan pengolahan lahan dan hasil pertanian menggunakan sistem mekanisasi mengakibatkan operator terpapar getaran dalam tingkat tidak aman. Paparan getaran yang tinggi diterima oleh operator traktor tangan dalam kegiatannya mengolah tanah sebelum ditanam, getaran pada traktor tangan bervariasi dari 3.43 sampai 5.26 m/s2 (Binisam 2007). Getaran mesin pertanian di atas batas aman berdasarkan standar keamanan ISO 2631-1-1997 ditemukan pada traktor roda empat, all-terrain vehicles (ATVs), kendaraan offroad berupa skidder, haulage truck, mesin pemanen zaitun, gergaji kayu (Ragni 1999; Mehta 2000; Servadioa 2007; Eger 2007; Smets 2010; Tewari 2009; Milosavljevic 2010;
Cationa 2008; Çakmak 2011; Goglia 2005; Sarah 2008). Getaran sebesar 1 sampai 13 m/s2 terpapar kepada operator di dalam industri gula lokal di Indonesia (Cahyono 2008; Mukti 2008).
Di samping frekuensi dan magnitudo getaran, dampak getaran yang diterima manusia juga dipengaruhi oleh arah getaran (Haris 2002). Jika menggunakan kendaraan seperti forewarder, mobil, motor, truk, traktor, atau mesin pemadat jalan getaran dominan yang terjadi adalah dalam arah vertikal (Googlia 2003; Rehn 2005; Binisam 2007; Salmoni 2008; Lady 2011; Chen 2009; Subhash 2011; Kathirvel 2007). Penumpang kereta api rel listrik dan rel diesel di Indonesia terpapar getaran dengan akselarasi hampir sebanding antara arah vertikal dan horizontal (Suwandi 2008).
Dampak getaran terhadap manusia banyak diteliti berdasarkan frekuensi getaran. Rasa pusing dan mual saat berkendaraan terjadi akibat terpapar getaran pada frekuensi rendah dibawah 0.5 Hz. Getaran akan semakin meningkatkan kecepatan reaksi manusia dengan kenaikan frekuensi getar dari 4 sampai 8 Hz diteliti oleh Notbohm dan Gross dalam Pulat (1992). Frekuensi getaran yang sama dengan frekuensi alami bagian tubuh manusia memberikan efek resonansi pada bagian tubuh tersebut. Resonansi tangan terjadi pada frekuensi 4 sampai 5 Hz berdampak pada penurunan kemampuan gerakan presisi tangan pada frekuensi ini. Resonansi bola mata terjadi pada frekuensi 20 sampai 70 Hz mengakibatkan orang mengalami kesulitan melihat. Getaran frekuensi tinggi, 30 sampai 50 Hz dapat memperlancar peredaran darah sehingga mempercepat
pemulihan kelelahan otot, banyak dimanfaatkan untuk pemijatan dengan getaran. Kemampuan cognitive manusia tidak dipengaruhi oleh getaran (Ljungberga 2007); Shoenberger (1974) dalam Oborne (1987)). Begitu juga kemampuan aritmatika tidak terpengaruh oleh getaran pada frekuensi rendah. Namun di sisi lain getaran berfungsi sebagai general stressor, manusia akan bekerja lebih keras untuk menjaga kecepatan reaksinya saat terpapar getaran, akibatnya kecepatan reaksi manusia lebih tinggi setelah terpapar getaran dibandingkan sebelum atau saat terpapar getaran. International Standardization Organization (ISO) sudah mengeluarkan batasan aman terpapar getaran berdasarkan efek getaran terhadap manusia. Pada getaran vertikal respon manusia lebih besar pada selang frekuensi 4 sampai 8 Hz, dan pada getaran lateral respon manusia lebih besar pada selang frekuensi 1 sampai 2 Hz.
Penelitian efek getaran terhadap manusia umumnya menilai getaran dari ukuran frekuensi, karena frekuensi berhubungan dengan efek resonansi bagian tubuh. Pengaruh efek akselarasi getaran masih sedikit diteliti, akselarasi dan frekuensi mengukur getaran dari pendekatan yang berbeda. Pada beberapa penelitian sudah dilakukan penilaian getaran berdasarkan akselarasi, tetapi akselarasi yang diamati hanya pada satu atau dua kondisi saja. Tabel 1 berisi penelusuran penelitian yang sudah dilakukan tentang efek getaran terhadap manusia dan ukuran getaran yang diamati.
Tabel 1 Studi efek getaran terhadap manusia yang sudah dilakukan
No Peneliti Tahun Pengaruh Getaran terhadap Manusia Akselarasi (m/s2) dan frekuensi (Hz)
1. Newell 2008 Getaran berpengaruh pada kenaikan
beban mental.
a = 1.4 2. Santos 2008 Getaran tidak meningkatkan aktifitas
otot tulang belakang.
a = 0.86 f = 0.5 – 20
3. Mani 2010 Getaran mengakibatkan gangguan
keseimbangan a = 0.9 - 4.9 f = 0.5 – 20 4. Notbohn (dalam Pulat)
1992 Getaran meningkatkan kecepatan reaksi f = 4 – 8
5. Shoenberger (dalam Oborne)
1987 Waktu reaksi terutama dipengaruhi oleh arah getar lateral, terutama pada f =1 dan 3 Hz.
6. Wohlwill (dalam Oborne)
1987 Getaran berfungsi sebagai general stressor terhadap kecepatan reaksi manusia.
7. Ljungberga 2007 Kemampuan cognitive manusia tidak dipengaruhi oleh getaran
8. Hacaambwa 2006 Ketidaknyamanan naik dengan
meningkatnya getaran mengikuti Steven Power Law.
a = 1.05 & 0.2 f < 50.5
9. Marjanen 2010 Arah getar berpengaruh terhadap
ketidaknyamanan dengan faktor pengali arah getarx : y : z = 2.7 : 1.8 : 1
a = 2.5 f = 1 – 20
Lanjutan tabel 1 10. Guignard
(dalam Griffin)
1990 Getaran meningkatkan respon cardiovascular.
f = 2 – 20
11. Maikala 2007 Getaran meningkatkan respon Metabolisme.
a = 0.9 g f = 2, 4.5, 6 12. Nawayseh 2010 Penyerapan energi getaran meningkat
dengan naiknya kuadrat magnitudo.
a=0.125, 0.25, 0.625, 1.25 f = 0.25 – 20
13. Maeda 2008 Kenyamanan berkendara dimodelkan
dari Vibration Greatness ( fungsi dari f dan a).
a = 0.2, 0.4, 0.8, dan 1.2 f = 4, 8, 16, 31.5, dan 63 14. Tian 1996 Getaran menurunkan waktu respon dan
meningkatkan jumlah kesalahan. 15. Dowell 2007 Getaran meningkatkan daya genggam
pada paparan Hand Tool Vibration.
a = 2.8 – 89.9 f = 0 – 125 16. Kubo 2001 Heart rate, rasio transmisi pada bagian
tubuh, dan kelelahan naik dengan naiknya frekuensi getaran.
a = 0.69 f = 2 – 20 17. Besa 2007 Penyerapan energi pada tangan akibat
Hand Tool Vibration dipengaruhi oleh arah getaran.
a = 15 dan 30 f < 550 18. Shibata 2012 Terdapat perbedaan ketidaknyamanan
antara pria dan wanita pada getaran arah lateral dan fore-aft, tidak pada arah vertikal.
a = 0.2, 0.4, dan 0.8 f = 1 – 20 19. Saton 2006 Kesiagaan berkurang akibat getaran,
sementara Visual analog sleepiness scale (VASS) meningkat.
a = 0.6 f = 10
20. ISO Tubuh manusia lebih sensitif pada
frekuensi 4 – 8 Hz getaran arah vertikal, dan 1- 2 Hz pada getaran horizontal.
21. Jang 2000 Ketidaknyamanan dipengaruhi oleh
perbedaan fasa antara getaran di kaki dan kursi, terutama pada frekuensi dan magnitude rendah.
a = 0.25, 0.4, 0.63, 1 dan 1.6 f = 2.5, 3.15, 4, 5, dan 6.3 22. Wang 2006 Energi getaran terbesar diserap oleh
tubuh manusia pada frekuensi 4 – 16 Hz.
f = 0.5 – 40 a = 1 23. Ahn 2010 Ketidaknyamanan paling sensitif terjadi
pada range frekuensi 5 – 6.3 Hz.
f = 0.9 – 16 a = 0.35 – 2.89 (VDV)
24. Jiao 2004 Paparan getaran meningkatkan heart
rate variability dan kelelahan.
f = 1.8 dan 6 a = 0.05g 25. Kim 2009 Orang Korea lebih sensitif terhadap
WBV vertikal pada f= 6.3 Hz.
f = 2 - 250 a = 0.35 – 4
Perumusan Masalah
Efek getaran terhadap manusia dilihat dari nilai akselarasi masih sedikit diteliti. Akselarasi dan frekuensi merupakan dua ukuran getaran yang berbeda. Akselarasi menilai magnitudo getaran yang menggambarkan besarnya energi getaran sedangkan frekuensi merupakan jumlah getaran persatuan waktu. Paparan getaran terhadap manusia tidak hanya dipengaruhi oleh frekuensi tapi juga oleh akselarasi. Akselarasi getaran diduga akan berpengaruh terhadap aspek fisiologis, performansi, dan tingkat ketidaknyamanan manusia.
Ketidaknyamanan karena getaran dipengaruhi oleh arah getar (Hacaambwa 2006). Arah getaran juga berpengaruh pada energi getaran yang diserap oleh tubuh manusia ((Burström (1996) dikutip oleh Dewangan (2009)). Penyerapan energi getaran berkorelasi positif dengan terjadinya luka atau kecelakaan akibat getaran (vibration disorder), karena energi getaran yang diserap oleh tangan akan merusak jaringan otot. Seberapa besar pengaruh masing-masing arah getar terhadap manusia perlu diekplorasi lebih dalam. Permasalahan yang muncul dalam penelitian ini adalah :
1. Bagaimana pengaruh peningkatan akselarasi getaran terhadap aspek fisiologi, motorik, dan ketidaknyamanan manusia.
2. Bagaimama pengaruh ketiga arah getaran translational terhadap aspek fisiologi, motorik, dan ketidaknyamanan manusia.
Tujuan Penelitian
Secara umum penelitian ini bertujuan menganalisa efek akselarasi getaran mekanik dan arah getar terhadap kelelahan, energi kerja, waktu respon, dan ketidaknyamanan yang dirasakan oleh manusia. Secara khusus tujuan penelitian ini diuraikan dalam enam bagian sebagai berikut :
1. Menganalisa pola pengaruh akselarasi getaran mekanik terhadap energi kerja dan kelelahan operator.
2. Menganalisa pola pengaruh akselarasi getaran mekanik terhadap waktu respon.
3. Menganalisa pola pengaruh akselarasi getaran mekanik terhadap ketidaknyamanan yang dirasakan.
4. Menganalisa pengaruh arah getar translational terhadap energi kerja dan kelelahan operator.
5. Menganalisa pengaruh arah getar translational terhadap waktu respon.
6. Menganalisa pengaruh arah getar translational terhadap ketidaknyamanan yang dirasakan.
Manfaat Penelitian
Simulator yang digunakan dalam penelitian ini bergetar pada frekuensi di atas 10 Hz dan akselarasi 1 sampai 10 m/s2. Getaran yang dihasilkan berupa getaran translational pada tiga arah getaran : fore-aft (x), lateral (y), dan vertikal (z). Hasil yang diperoleh dari pada penelitian ini bisa dijadikan sebagai acuan
dalam merancang mesin-mesin mekanik yang memiliki frekuensi di atas 10 Hz dan bergetar secara translational.
Berdasarkan analisa efek getaran terhadap manusia maka dalam perancangan mesin industri, getaran dalam interval akselarasi tertentu sebaiknya dihindari untuk mengurangi efek negatif getaran terhadap manusia. Penyesuaian rancangan mesin tentu juga tanpa mengurangi efektifitas mesin.
Kebaruan Penelitian
Penelitian-penelitian terdahulu pada umumnya menganalisa pengaruh getaran terhadap manusia tanpa membedakan ukuran getaran. Novelty dalam penelitian ini merupakan eksplorasi terhadap bagaimana getaran berpengaruh terhadap manusia dilihat pola yang dihasilkan akibat perubahan nilai akselarasi dari 1 sampai 6 m/s2 dan perbandingan pengaruh arah getar translational terhadap aspek fisiologi, motorik, dan ketidaknyamanan operator.
2 TINJAUAN PUSTAKA
Getaran Mekanik
Yang dimaksud dengan getaran adalah gerakan yang teratur dari benda atau media dengan arah bolak–balik dari kedudukan keseimbangan. Getaran mekanis disebabkan oleh mesin atau alat-alat mekanis lainnya. Getaran terjadi saat mesin atau alat dijalankan dengan motor, sehingga pengaruhnya bersifat mekanis. Getaranmerupakan suatu faktor fisik yang menjalar ke tubuh manusia, mulai dari tangan sampai ke seluruh tubuh.
Getaran mekanis dapat diartikan sebagai getaran yang ditimbulkan oleh alat-alat mekanis yang sebagian dari getaran ini sampai ke tubuh dan dapat menimbulkan akibat-akibat yang tidak diinginkan pada tubuh kita.
Ada dua kelompok getaran mekanik yaitu : 1. Getaran Bebas.
Getaran bebas terjadi jika sistem berosilasi karena bekerjanya gaya yang ada dalam sistem itu sendiri (inherent). Sistem yang bergetar bebas akan bergerak pada satu atau lebih frekuensi naturalnya, yang merupakan sifat sistem dinamika yang dibentuk oleh distribusi massa dan kekuatannya. Semua sistem yang memiliki massa dan elastisitas dapat mengalami getaran bebas atau getaran yang terjadi tanpa rangsangan dari luar.
2. Getaran Paksa.
Getaran paksa adalah getaran yang terjadi karena rangsangan gaya luar, jika rangsangan tersebut berosilasi maka sistem dipaksa untuk bergetar pada frekuensi rangsangan. Jika frekuensi rangsangan sama dengan salah satu frekuensi natural sistem, maka akan didapat keadaan resonansi dan osilasi besar yang berbahaya mungkin terjadi.
Getaran mekanis dapat dibedakan berdasarkan pajanannya. Terdapat dua bentuk yaitu getaran seluruh badan (Whole Body Vibration / WBV) dan getaran pada lengan dan tangan (Tool Hand Vibration).
1. Whole Body Vibration (WBV)
Getaran pada seluruh tubuh atau umum Whole Body Vibration yaitu terjadinya getaran pada tubuh pekerja yang bekerja sambil duduk atau sedang berdiri dimana landasannya menimbulkan getaran. Getaran seperti ini biasanya dialami oleh pengemudi kendaraan seperti: traktor, bus, helikopter, kereta api, atau bahkan kapal.
2. Tool Hand Vibration
Merupakan getaran setempat yaitu getaran yang merambat melalui tangan akibat pemakaian peralatan yang bergetar.
Paparan getaran WBV terhadap manusia bisa dalam bentuk gerakan berputar (rotational) atau gerakan searah sumbu koordinat (translational). Gerakan translational pada arah lateral searah sumbu y, arah fore-aft searah
sumbu x, dan arah vertikal searah sumbu z dari tubuh operator, sistem koordinat untuk arah gerakan seperti terlihat pada Gambar 1.
Gambar 1 Arah getaran Whole Body Vibration pada getaran translational (x,y,z) dan rotasional (Rx, Ry, Rz)
Sumber : ISO 2631-1 (2004)
Arah positif pada masing-masing arah berdasarkan arah yang dikeluarkan oleh NASA 1989. Di dalam pesawat luar angkasa arah akselarasi ditentukan relative terhadap mata atau organ tubuh lain yang bergeser akibat akselarasi. Sistem akan mempunyai akselarasi positif dalam arah x dari belakang ke arah dada (bola mata tertarik ke dalam), akselarasi positif dalam arah y dari kiri ke kanan (bola mata ke kiri), dan akselarasi positif dalam arah z dari kepala ke arah kaki ((bola mata ke atas) (Kroemer, 2001). Sistem arah diperlihatkan pada Gambar 2 dan Tabel 2.
Gambar 2 Kesepakatan arah positif akselarasi getaran berdasarkan NASA Sumber : NASA (1989)
Tabel 2 Arah positif dan negatif akselarasi berdasarkan NASA
Arah Aksi Reaksi pada tubuh manusia Gerakan linier Aksi Arah akselarasi Reaksi Keterangan
ke depan +ax ke depan +gx bola mata ke dalam
ke belakang - ax ke belakang - gx bola mata ke luar ke kanan +ay ke kanan lateral +gy bola mata ke kiri ke kiri - ay ke kiri lateral - gy bola mata ke kanan ke atas - az ke arah kepala +gz bola mata ke bawah ke bawah +az ke arah kaki - gz bola mata ke atas Sumber : Kroemer (2000)
Ukuran Getaran
Gerak osilasi dapat berulang secara teratur atau dapat juga tidak teratur, jika gerak itu berulang dalam selang waktu yang sama maka gerak itu disebut gerak periodik. Waktu pengulangan tersebut disebut perioda osilasi dan kebalikannya disebut frekuensi. Jika gerak dinyatakan dalam fungsi waktu x (t), maka setiap gerak periodik harus memenuhi hubungan (t) = x (t +τ).
Bentuk gerak periodik yang paling sederhana adalah gerak harmonik. Hal ini dapat diperagakan dengan sebuah massa yang digantung pada sebuah pegas ringan. Jika massa tersebut dipindahkan dari posisi diamnya dan dilepaskan, maka massa tersebut akan berosilasi naik turun sehingga dapat dinyatakan dengan persamaan :
x = A sin 2πft
dimana : A = Amplitudo t = Waktu
Getaran diukur dengan menentukan besarnya energi mekanik yang di hantarkan selama periode waktu tertentu, Energi mekanis ini adalah fungsi dari frekuensi dan intensitas gerakan osilasi yang menghasilkan getaran. Besar energi yang diserapadalah fungsi dari frekuensi, intensitas dan lamanya getaran.
Besarnya getaran didefinisikan dalam dua parameter yaitu kecepatan dan intensitas. Kecepatan adalah getaran yang diekspresikan sebagai frekuensi gerakan, dinyatakan dalam satuan Hertz (Hz), dimana 1 Hz = 1 cycle getaran per-detik. Sering juga digunakan frekuensi angular yang dinyatakan dalam radian per-detik. Karena satu gelombang (360o) sama dengan 2 radian, maka = 2f
(dalam rad/s2).
Intensitas getaran dinyatakan sebagai maksimum getaran dari titik tetapnya atau diistilahkan dengan amplitudo. Tetapi intensitas getaran lebih sering menggunakan unit akselarasi, secara konvensional dinyatakan dengan g (1 g adalah jumlah akselarasi yang dibutuhkan untuk mengangkat tubuh orang dari permukaan bumi). Satuan metrik untuk akselarasi adalah meter per-second2 (1g = 9.81 m/s2).
Akselarasi getaran dinotasikan dengan a dapat diukur dalam satuan g (gafitasi) atau m/s2 jika menggunakan sistem metrik. Sementara level akselarasi dinotasikan dengan L diukur dengan satuan dB (decibels) yang berpatokan pada skala akselarasi 10-6m/s2 = 0 dB. Sehingga akselarasi a m/s2 dapat dinyatakan sebagai level L(dB) :
L (dB) = 20 log10 [a/aref]
dimana :
L = level getaran dalam decibels
a = akselarasi terukur dalam m/s2
aref = patokan level = 10-6m/s2
Pada jarak gelombang getaran maksimum dari titik tengah kecepatan menjadi nol dan akselarasi pada nilai minimumnya. Ketika jarak nol kecepatan maksimal dan akselarasi juga nol. Pada saat t, maka perpindahan x dinyatakan sebagai :
x(t) = Xsin(2ft + ),dan kecepatan merupakan turunan pertama jarak
v(t) = 2fXcos2ft = Vcos2ft, dan akselarasi merupakan turunan kedua jarak a(t) = -(2f)2Xsin 2ft = -A sin 2ft
dimana .
X = Jarak maksimum gelombang dari titik tengah V =2fX adalah puncak kecepatan
A = (2f)2X atau 2fV
adalah puncak akselarasi = sudut fasa
Penjelasan tentang amplitudo, kecepatan dan akselarasi getaran dijelaskan pada Gambar 3.
Gambar 3 Getaran sinusoidal untuk jarak perpindahan, kecepatan dan akselarasi
Sumber : Kroemer (2001)
Pada tubuh yang kaku, gaya dan akselarasi selalu dalam satu fasa, sehingga pada berbagai rasio frekuensi terhadap rms menunjukkan masa benda. Pada frekuensi tertentu tubuh manusia tidak bersifat sebagai benda kaku, dan gaya dan akselarasi tidak satu fasa tergantung pada kekakuan dan peredaman pada masing-masing frekuensi sehingga sulit untuk menghitung masa benda. Invers rasio juga memiliki nama sendiri, akselarasi dibagi gaya adalah accelerance, kecepatan dibagi gaya disebut mobility dan perpindahan x dibagi gaya disebut dynamic compliance (Griffin, 1990).
Setiap struktur sederhana seperti meja, buku, bangunan, memiliki resonansi frekuensi sendiri. Jika suatu getaran diterapkan pada struktur dan kemudian struktur tersebut bergetar dengan getaran yang lebih besar daripada yang diterapkan padanya, maka itu disebut beresonansi. Jika struktur menyerap intensitas getaran maka proses tersebut disebut peredaman (damping).
Pengukuran Getaran pada Manusia
Tubuh yang terpapar getaran diukur pada interface tertentu dari tubuh dan sumber getaran. Pada operator yang bekerja duduk biasanya pengukuran dilakukan pada permukaan tempat duduk atau sandaran punggung. Pada operator berdiri pengukuran pada lantai di posisi kaki. Pada operator yang bersandar diukur pada permukaan penyangga tubuh di daerah torso, pelvis dan kepala.
Ketika getaran ditransmisikan ke tubuh melalui material yang tidak kaku penempatan transducer pengukur harus pada permukaan tubuh untuk meminimasi perubahan tekanan permukaan pada material tersebut. Waktu pengukuran juga harus cukup untuk mewakili data getaran dan mendapatkan sinyal random.
Jika pengukuran getaran dilakukan pada satu titik ditubuh untuk arah translational (x, y, dan z) maka dapat dihitung nilai getaran total dalam bentuk
Root Mean Square Acceleration (aRMS) dengan komponen akselarasi pada setiap arah ax, ay, dan az.
Ketika getaran mengenai tubuh pada beberapa titik (seperti kaki, tempat duduk, sandaran punggung ), maka nilai total akselarasi avmerupakan kombinasi nilai dari setiap titik.
Efek getaran yang diterima tubuh dipengaruhi oleh frekuensi getaran, sehingga penghitungan nilai total getaran yang dipengaruhi oleh frekuensi menggunakan faktor frequency weighted. Nilai rata-rata getaran dalam bentuk
rms frequency weighted acceleration dengan rumus sebagai berikut dalam domain frekuensi :
Pada tubuh yang terpapar getaran dengan kejadian sementara dan mempunyai nilai crestfactor lebih dari 9, maka perlu dihitung nilai vibration dose value (VDV) atau maximum transient vibration value (MTVV(T)), keduanya digunakan untuk menjamin efek dari getaran sementara tidak underestimed.
Cresfactor adalah rasio antara nilai awmax terhadap awRMS
Hubungan antara respon manusia terhadap getaran sementara bisa diketahui dengan menghitung maximum transient vibration value (MTVV(T))
selama pengukuran.
MTVV(T) |aw(t0)|max
Pangkat 4 Vibration Dose Value (VDV) didefinisikan sebagai : VDV =
Dengan r = 4, memberikan sebuah pengukuran terpapar getaran yang lebih sensitif untuk amplitudo besar dengan membentuk frequency-weighted
acceleration time history pangkat empat aw4(t). Jika total getaran terdiri atas beberapa elemen getaran maka total VDV adalah :
VDV total =
Penggunaan maximum transien vibration value atau total vibration dose value untuk ditambahkan pada nilai rms frequency weighted acceleration
dianjurkan jika :
MTVV(T) >1.5aw atau VDVtotal >1.75awT1/4
Perhitungan VDV total tidak dipengaruhi oleh waktu dan besarnya akselarasi, hanya merupakan penjumlahan dari elemen getaran. Tetapi perhitungan MTVV memperhatikan pengaruh akselarasi yang terjadi dalam waktu satu detik dan sangat sedikit dipengaruhi oleh kejadian yang terjadi lebih dari 1 detik.
Total vibration dose value (VDV) akan mengintegrasikan semua pengaruh kejadian sementara terlepas dari kekuatan dan lama kejadian. Berbeda dengan total VDV maka maximum transient vibration value akan menghasilkan pengukuran yang didominasi oleh kekuatan getaran yang besar yang hanya terjadi pada saat yang pendek (1 detik), tetapi sangat sedikit dipengaruhi oleh getaran yang terjadi dalam waktu yang lebih lama. Aplikasi kedua pengukuran ini terhadap WBV tergantung kepada kondisi kejadian getaran sementara dan antisipasi berdasarkan respon manusia.
Efek WBV terhadap kesehatan berdasarkan ISO 2631-1 pada getaran yang dirambatkan melalui kursi duduk pada frekuensi 0,5 – 10 Hz, pengukuran getaran berdasarkan frequency-weighted acceleration. Jika paparan getaran berisi kejadian sementara (transient event) yang memenuhi persyaratan diatas maka penilaian dilakukan berdasarkan vibration dose value (VDV).Frequency weighted
yang digunakan adalah Wd dan Wk. Dikalikan dengan factor 1 untuk getaran dalam arah z dan 1,4 untuk getaran dalam arah x dan y sesuai koordinat pada gambar.
Frequency Weighted
Sensitifitas tubuh manusia terhadap getaran mekanis tergantung kepada frekuensi dan arah getaran. Kedua faktor ini perlu dipertimbangkan dalam perhitungan untuk memperkirakan efek bahaya. ISO (International Standards Organization) sudah menghasilkan tiga kurva weighting factor, yang dapat digunakan ketika menaksir tingkat bahaya suatu kondisi getaran.
Ketika getaran diukur dalam arah yang berbeda-beda, level getaran diukur pada semua frekuensi dalam daerah sensitif terhadap manusia. Frekuensi saat tubuh manusia lebih sensitif akan memberikan weighting faktor yang lebih besar dari pada saat frekuensi dimana tubuh kurang sensitif. Weighting factor
penilaian subjek atau dampak yang dihasilkan getaran (Bruej 2013). Level kebisingan juga diukur dengan cara yang sama, weighting filter digunakan untuk mensimulasikan respon pendengaran manusia terhadap kebisingan.
Tiga weighting faktor utama ISO diperlihatkan pada Gambar 4. Tambahan
weighting factor kadang-kadang digunakan ketika memperkirakan level getaran yang berhubungan dengan motion sickness, getaran bangunan, dan transportasi dengan ambulan. Pengukuran getaran pada tubuh manusia yang terjadi dalam selang frekuensi 0.1 Hz sampai 1500 Hz menarik untuk diamati. Sementara jika getaran terpapar dalam bentuk WBV maka frekuensi antara 1 Hz sampai 80 Hz lebih menarik, dan kalau pengukuran getaran dalam bentuk THV (Tool-hand vibration) selang frekuensi 5 Hz sampai 1500 Hz lebih menarik. Dalam selang frekuensi ini tubuh manusia lebih sensitif sesuai bentuk paparan getaran yang terjadi.
Gambar 4 Weighting factor berdasarkan ISO Sumber : Bruej and Kjaer (2013)
WBV harus diukur dalam arah sesuai sistem koordinat. Arah longitudinal (dari kepala ke arah kaki) disebut arah z. Pada arah ini tubuh lebih sensitif pada frekuensi getaran antara 4 Hz sampai 8 Hz. Respon manusia terhadap getaran dalam arah x (depan ke belakang) dan arah y (kiri ke kanan) tidak berbeda, dan pada bidang lateral ini respon manusia lebih besar pada interval frekuensi 1 Hz sampai 2 Hz.
Getaran pada range frekuensi 0.1 sampai 0.63 Hz diperkirakan bertanggung jawab terhadap terjadinya rasa pusing (motion sickness). Reaksi individual terhadap getaran dalam interval frekuensi ini sangat beragam dan tergantung tidak
hanya pada getaran saja, tetapi juga faktor lain seperti penglihatan, penciuman, dan umur, yang membuat penelitian untuk pengaruh getaran terhadap manusia menjadi kompleks.
Efek Getaran terhadap Manusia
Efek getaran translational terhadap nilai total getaran lebih dominan dibanding getaran rotational, efek getaran rotational kurang dari 6% (Marjanen 2010). Proporsi pengaruh setiap arah getaran dipengaruhi oleh kurva frequency weighting dan faktor pengali. Frequency weighting memodelkan respon tubuh dalam domain frekuensi. Faktor pengali menggambarkan pengaruh relatif diantara arah getaran. Menurut Marjanen (2010) efek getaran terhadap ketidaknyamanan dominan dipengaruhi oleh rambatan getaran melalui tempat duduk, rambatan getaran dari sandaran hanya berpengaruh 1.4% terhadap ketidaknyaman.
Tubuh manusia adalah struktur yang kompleks yang tersusun atas organ-organ, tulang, persendian, dan otot. Pada beberapa frekuensi, tubuh bisa bergetar dengan intensitas yang lebih tinggi dari getaran yang mengenai bagian tubuh tersebut, sementara pada kasus lain getaran mungkin diserap. Resonansi tubuh akibat getaran mulai terjadi pada frekuensi 4 sampai 5 Hz (Kromer 2001). Getaran dibawah frekuensi 20 Hz menjadi sebab kelelahan pada manusia karena getaran menyebabkan bertambahnya tonus otot-otot. Kontraksi statis ini menyebabkan penimbunan asamlaktat dengan bertambah panjangnya waktu terpapar. Rasa tidak enak akibat getaran menjadi sebab kurangnya konsentrasi. Rangsangan-rangsangan pada system retikuler di otak menjadi sebab mabuk. Sebaliknya frekuensi di atas 20 Hz menyebabkan pengenduran otot, mempercepat pemulihan kelelahan otot, sehingga banyak dimanfaatkan untuk relaksasi dan pemijatan dengan getaran, sedangkan pada frekuensi lebih rendah dari 20 Hz tidak bisa untuk pemulihan kelelahan (Carassco 2011).
Getaran vertikal sekitar 2 sampai 20 Hz meningkatkan respon
cardiovascular seperti denyut jantung dan konsumsi oksigen (Guignard dikutip oleh Griffin 1990). Respon cardiovascular tersebut bisa disebabkan oleh tekanan psikologi atau naiknya aktifitas metabolisme, nilai respon akan naik dengan naiknya akselarasi getaran. Pada awal terpapar getaran denyut jantung akan tinggi dan menurun dengan bertambahnya waktu (Raylands dikutip oleh Griffin 1990). Berdasarkan penelitian Maikala (2007), subjek yang terpapar WBV akan berpengaruh pada respon metabolik yang lebih besar dibanding duduk tanpa getaran.
Bagian tubuh berbeda memiliki karakteristik resonansi yang berbeda. Tabel 3 memperlihatkan karakteristik resonansi tubuh saat terpapar getaran vertikal :
Tabel 3 Karakteristik segmen tubuh dibawah getaran vertikal WBV
Bagian tubuh Resonansi (Hz) Gejala
Seluruh tubuh 4-5, 10-14 Tidak nyaman
Tubuh bagian atas 6 – 10
Kepala 5 – 20
Bola mata 20 -70 lebih kuat Susah melihat
Rahang 100-200
Tenggorokan 5 – 20 Perubahan pitch suara
Bahu 2 – 10
Lengan bawah 16 – 30
Tangan 4 – 5
Dada 5 – 7 Sakit dada
Lambung 3 - 6
Perut 4 – 8 Sakit perut
Cardiovascular
dan 2 -20 Seperti respon pada
sistem pernafasan moderate work
Mual 1 – 2 Mengantuk
Sumber : Kroemer (2001)
Efek kesehatan akibat getaran dapat berupa kerusakan pada organ tubuh dan kerusakan pada jaringan tubuh. Penyebab kerusakan bisa disebabkan oleh intensitas getaran tinggi pada frekuensi relatif rendah, terjadinya resonansi bagian tubuh, atau penyerapan energi getaran dalam level tinggi. Burstrom (1993) dikutip oleh Kihlberg (1995) menemukan energi yang diserap karena adanya getaran akan semakin kecil jika frekuensi getaran membesar dan sebaliknya. Getaran dengan tipe tiba-tiba (shock type) memberikan dampak yang berbeda dengan getaran tanpa shock type, karena berdampak pada meningkatnya energi getaran yang diserap pada penelitian menggunakan Hand Tools Vibration
(Burstorm, 1999). Pada tiga titik sentuh antara tubuh manusia dengan getaran mesin yaitu tempat duduk, kaki dan punggung, penyerapan energi naik dengan naiknya kuadrat magnitudo getaran (Nawaseh 2010). Penyerapan energi tidak hanya dipengaruhi oleh intensitas getaran tetapi juga oleh arah getaran, posisi pergelangan tangan, siku, dan bahu, gaya genggam dan gaya dorong, temperatur dan faktor individual (Besa 2007). Reynolds dan Angevine dalam Oborne (1987) meneliti rambatan getaran pada lengan menyatakan akselarasi getaran yang merambat dari handel yang bergetar akan semakin berkurang dari tangan yang menggenggam handel ke arah bahu, artinya terjadi penyerapan energi getaran oleh tangan manusia.
Menurut Hacaambwa (2006), ketidaknyaman akibat getaran dipengaruhi oleh empat faktor utama yaitu arah getaran, frekuensi, magnitudo dan lama terpapar getaran. Frekuensi getaran diperkirakan mempunyai pengaruh terbesar.
Respon dinamis pada tangan yang terpapar getaran tergantung kepada frekuensi getaran, beban lebih besar diterima oleh siku dan bahu jika frekuensi getaran kecil (< 50Hz) dibandingkan jika terpapar getaran dengan frekuensi tinggi (Kihlberg 1995). Sensitifitas tactile pada tangan akan menurun akibat
terpapar getaran (Radwin 2003). Getaran kejut berpengaruh menaikan gaya genggam sehingga meningkatkan penyerapan energi getaran oleh tangan (Burstrom 1999).
Reaksi fisik akibat getaran dapat diestimasi melalui persamaan multiple regression terhadap reaksi fisiologi dan psikologi manusia (Kubo 2001). Hubungan antara kenyamanan berkendaraan dengan WBV dapat dimodelkan dengan frekuensi dan rata-rata rms (root mean square) dari akselarasi getaran, sehingga jika dua lingkungan mempunyai frekuensi dan akselarasi sama maka derajat ketidaknyamanannya akan sama (Maeda 2008). Disamping getaran, kebisingan akibat mesin bergetar juga berpengaruh terhadap kenyamanan (Giacomin 2005).
Newell (2008) meneliti efek getaran sekitar 1.4 m/s2 terhadap kecepatan reaksi manusia pada berbagai posisi responden. Tian (1996) menemukan penurunan kecepatan reaksi manusia dan kenaikkan jumlah kesalahan akibat terpapar WBV. Ini menunjukkan bahwa kelelahan terjadi selama pekerjaan. Mc Dowell (2007) juga menemukan kesalahan reaksi lebih besar pada magnitude getaran yang lebih besar. Notbohm dan Gross dalam Pulat 1992 dalam penelitiannya untuk pekerjaan memberikan reaksi (dalam lima pilihan) pada frekuensi getaran 4 sampai 8 Hz (akselarasi 3 m/s2) dan kebisingan antara 75 sampai 100dB(A), reaksi manusia lebih cepat terjadi pada getaran 8 Hz dan kebisingan 100dB(A). Sedangkan akurasi tertinggi terjadi jika tidak ada getaran dan hanya ada kebisingan.
Paparan WBV dapat menyebabkan kerusakan fisik permanen atau gangguan system syaraf. Paparan WBV selama bertahun-tahun dapat menyebabkan gangguan pada tulang belakang bagian bawah dan mempengaruhi sistem urologi. Di dalam Pulat (1992) diuraikan pada supir truk ditemukan peningkatan gangguan jaringan pada otot tulang belakang 4 kali manusia normal dan pada pengemudi mobil 2 kali orang normal. Paparan getaran WBV akan mengganggu sistem syaraf pusat, gejala gangguan ini biasanya muncul selama atau sesudah terpapar getaran dalam bentuk kelelahan, insomnia, sakit kepala. Banyak orang mengalami gejala gangguan syaraf ini sesudah bepergian menggunakan mobil atau boat. Gejala ini akan hilang setelah istirahat. Jika akselarasi getaran cukup tinggi (1.5 g atau lebih) dapat terjadi pendarahan internal dan kerusakan pada organ internal.
Getaran Akselarasi Tinggi
Paparan getaran dengan akselarasi tinggi terjadi pada pilot pesawat tempur, kru pesawat luar angkasa, getaran biasanya dalam bentuk akselarasi linier atau rotasional. Penerbangan dalam kondisi tidak stabil, turbulensi udara, crash landing dapat berakibat pada akselerasi tinggi dengan tiba-tiba. Akselarasi getaran sering diukur dengan g (gravitasi). Pada permukaan bumi akselarasi sebesar 1 g ( 9.8 m/s2) mengarah ke pusat bumi. Berikut adalah kondisi yang memiliki nilai akselarasi tinggi (Kroemer 2001).
1. Manuver cepat, akselarasi mencapai 6g 2. Kejutan saat pembukaan parasut, sekitar 10g 3. Pendaratan keras, lebih dari 10g
4. Penerbangan dengan pesawat ruang angkasa, akselarasi mencapai 2g 5. Saat peluncuran pesawat luar angkasa, akselarasi mencapai 6g 6. Roller coaster, akselarasi tertinggi mencapai 2.7 g
Tergantung pada magnitudo dan arah akselarasi, getaran yang dihasilkan dapat menimbulkan ketidaknyamanan, kondisi berbahaya, bahkan fatal. Selama akselarasi sebesar +g terjadi peningkatan berat badan sesuai dengan hukum Newton kedua F = mg. Kulit dan jaringan permukaan tubuh menjadi jatuh atau layu terjadi pada akselarasi +2g (Kroemer 2001). Orang tidak mampu mengangkat bagian tubuh seperti tangan dan pandangan menjadi kabur terjadi pada +3g. Pandangan gelap dan kehilangan kesadaran terjadi pada akselarasi 5g sampai 6g.
Terbang dengan pesawat bermanuver dengan kecepatan tinggi seperti pesawat tempur dapat mengakibatkan kehilangan kesadaran yang diistilahkan dengan g-LOC selama sebentar. Ini terjadi pada satu dari tiga pilot pesawat tempur. Hal ini disebabkan kekurangan asupan oksigen ke otak, yang disebabkan karena ketidakmampuan jantung mengasilkan tekanan darah yang cukup untuk mencapai kepala. Pandangan gelap terjadi karena dibutuhkan tekanan darah sekurang-kurangnya 22 mm Hg di otak tidak dapat dijaga karena terbang dengan maneuver menghasilkan g besar dengan arah berlawanan pada aliran darah dan komponen tubuh. Sedikit oksigen disimpan di otak, sehingga pilot dapat bermanuver dengan kecepatan tinggi selama tidak lebih dari 5 detik tanpa terjadi g-LOC. Tanda-tanda g-LOC penglihatan seperti dalam terowongan, kemudian kehilangan kesadaran selama 15 detik, diikuti dengan amnesia selama 10 detik. Tentu saja selama LOC pilot tidak dapat melaksanakan tugasnya. Setelah g-LOC pilot akan kembali sadar, fisiologi membaik, tetapi performansi menurun.
Standar Keamanan Paparan Getaran terhadap Manusia
Getaran dirasakan oleh tubuh berbeda-beda pada level frekuensi yang berbeda. Jika seseorang duduk pada permukaan yang diletakkan di atas permukaan yang bergetar secara vertikal, frekuensinya akan berubah secara sekuensial dari 1 – 100 Hz. Orang tersebut akan merasa berayun pada frekuensi rendah 1-2 Hz, sementara organ dalamnya akan mendeteksi getaran pada range 4-8 Hz. Dengan meningkatnya frekuensi, getaran akan dirasakan pada setengah bagian bawah tubuh terutama pada kaki.
Terdapat perbedaan yang dirasakan antara getaran vertikal dan horizontal. Secara umum orang akan merasakan lebih lelah dan lebih tidak nyaman pada frekuensi 4 sampai 8 Hz untuk getaran pada arah vertikal. Sedangkan pada arah horizontal reaksi tubuh lebih tinggi terjadi pada frekuensi antara 1 sampai 2 Hz.
Terdapat empat faktor fisik penting yang dipertimbangkan ketika melihat efek getaran mekanis terhadap tubuh manusia yaitu nilai akselarasi, frekuensi getaran, arah getaran, lama waktu terpapar getaran. Standar ISO 2631 untuk
Whole Body Vibration membedakan tiga kriteria utama yang dapat digunakan untuk menilai pengaruh getaran dalam situasi berbeda :
a. Batasan untuk efisiensi kerja (fatigue decreased proficiency boundary); b. Batasan untuk kesehatan dan keamanan (exposure limit)
c. Batasan untuk kenyamanan (reduced comfort boundary).
Batasan yang direkomendasikan untuk paparan getaran untuk ketiga kriteria digambarkan secara grafik untuk nilai akselarasi lateral (ax dan ay) dan nilai akselarasi longitudinal (az). Ketiga kriteria menghubungkan nilai RMS akselarasi dengan frekuensi getaran yang diukur, dan lama waktu terpapar yang diizinkan.
Batasan untuk efisiensi kerja fatigue-decreased proficiency boundary criterion digunakan untuk menaksir batasan waktu terpapar getaran untuk jenis pekerjaan dimana efek waktu (seperti kelelahan) diketahui dapat mempengaruhi performansi, misalnya pekerjaan mengemudi, menjalankan kendaraan / alat berat. Batasan exposure limit criterion digunakan untuk menaksir paparan getaran maksimum yang diizinkan untukwhole-body vibration (WBV). Jika batasan limit yang didefinisikan sudah dilewati, kesehatan subjek akan terganggu. Sehingga terpapar getaran melebihi batas exposure limit, tidak direkomendasikan.
Batasan reduced comfort boundary criterion digunakan untuk mengakses kenyamanan orang dalam bepergian dengan pesawat, kapal atau kereta api. Melebihi batas ini akan membuat penumpang kesulitan melakukan kegiatan makan, membaca, atau menulis selama perjalanan. Batas aman akibat terpapar getaran berdasarkan standar ISO terdapat pada Gambar 5.
Gambar 5 Batas aman untuk kenyamanan kerja karena paparan WBV berdasarkan ISO 2631
Jika RMS akselarasi yang diperlihatkan dalam standar ISO adalah
frequency-weighted dan plot waktu terpapar getaran mengikuti ketiga kriteria, hubungan keempatnya dipresentasikan dalam gambar 6. Sebagai contoh waktu terpapar yang diizinkan untuk getaran dengan weighted RMS adalah 0.5 m/s2 hanya 30 menit per hari jika kenyamanan menjadi kriteria, dan menjadi 4 jam/hari jika kesehatan menjadi kriteria. Tiga kriteria utama untuk menilai pengaruh WBV dijelaskan dalam Gambar 6.
Dalam menggunakan getaran yang bergetar lebih dari satu arah maka ISO 2631-1 menggunakan rumus arms, agar efek ketiga arah dapat dipertimbangkan. Faktor pengali untuk masing-masing arah ditentukan 1.4 pada arah x dan y dan 1 pada arah z.
aRMS [(1.4ax)2(1.4ay)2 az2]
Waktu terpapar aktual dinyatakan sebagai persentase dari total waktu terpapar yang diizinkan dikenal dengan istilah equivalent exposure percentage. Pada contoh di atas nilai equivalent exposure percentage adalah 25% jika efisiensi kerja merupakan kriteria dan waktu terpapar aktual hanya 1 jam.
Gambar 6 Tiga kriteria utama yang digunakan untuk menilai pengaruh WBV
Energi Kerja
Terdapat beberapa cara pengukuran energi kerja (Kroemer, 2001), diantaranya :
1. Konsumsi oksigen.
Perubahan karbohidrat, lemak, dan protein menjadi energi memerlukan oksigen (O2), dengan demikian konsumsi oksigen dapat dijadikan parameter
pengukuran energi kerja. Adapun reaksi kimia yang terjadi adalah : C6H12C6 + 6O2
→
6 H2O + 6 CO2 + EDengan mengekuivalenkan kebutuhan energi dengan kebutuhan oksigen diperoleh hubungan nyata antara keduanya. Konsumsi energi bersih perkegiatan diperoleh dengan mengurangkan enegi yang dibutuhkan untuk metabolisme basal. Konsumsi oksigen juga bisa dihitung dengan menghitung jumlah udara yang dihirup pada waktu bernafas, jumlah oksigen 21% dari total volume udara yang dihirup. 1 liter oksigen yang dikonsumsi oleh tubuh akan menghasilkan energi 4.8 kkal.
2. Laju paru-paru dan frekuensi pernafasan seimbang dengan konsumsi energi. Sehingga dengan mengetahui laju paru-paru dan frekuensi pernafasan dapat dihitung besarnya konsumsi oksigen dan akhirnya dapat dihitung besarnya beban kerja.
3. Suhu tubuh
Efisiensi penggunaan tenaga manusia untuk pengerjaan tenaga mekanis sekitar 20% dan selebihnya dikeluarkan dalam bentuk panas. Peningkatan beban kerja akan meningkatkan suhu tubuh, oleh karena itu suhu tubuh dapat dijadikan parameter pengukuran beban kerja fisik. Pada pekerja yang bekerja pada suhu udara tinggi, peningkatan suhu tubuh tidak proporsional dengan laju konsumsi oksigen. Sifat ini dapat dijadikan indikasi untuk mengukur heat stress.
4. Denyut jatung
Kebutuhan bahan bakar bagi tubuh untuk melakukan gerak disalurkan oleh darah melalui pembuluh-pembuluh darah ke seluruh bagian-bagian tubuh dengan jantung sebagai penggeraknya. Setiap peningkatan penggunaan tenaga mekanis akan meningkatkan kerja jantung. Laju denyut yang tinggi akan diikuti oleh konsumsi oksigen yang tinggi.
Metode denyut jantung mempunyai kelemahan, yaitu sering ditemukannya hubungan yang tidak sesuai antara hasil pengukuran dengan pengeluaran energi. Terdapat dua faktor yang mempengaruhi kemampuan kerja fisik manusia dalam setiap aktifitasnya, yaitu factor personal dan factor lingkungan. Faktor personal antara lain : umur, berat badan, jenis kelamin, kebiasaan merokok, gaya hidup, olah raga, status nutrisi, dan motivasi. Faktor lingkungan antara lain : polusi udara, kualitas udara ruangan, ventilasi, ketinggian tempat, kebisingan, dan factor temperatur udara yang ekstrim.
Metoda pengukuran beban kerja yang banyak digunakan adalah pengukuran denyut jantung dengan metode step test. Metode ini relatif lebih mudah dan lebih murah untuk dilaksanakan dibanding metode lainnya. Walaupun dalam pelaksanaannya murah dan mudah, namun metode ini memerlukan sistem kalibrasi data yang akurat, hal ini disebabkan beberapa faktor :
