tutorial 2
Prodi Teknik Industri
Fakultas Teknologi Industri
Universitas Islam Indonesia
Tahun Ajaran
2016/2017
BIOMEKANIKA
A. PENDAHULUAN
Biomekanika merupakan cabang ilmu ergonomi yang menggabungkan teknik fisika, antropometri dan ilmu kedokteran dasar (biologi dan fisiologi), melalui hubungan matematika. Biomekanika menggunakan penerapan hukum fisika untuk menjelaskan fenomena biologis yang terjadi dalam tubuh manusia (Tayyari dan Smith, 1997). Hukum tersebut digunakan untuk mempelajari tanggapan dari tubuh manusia terhadap beban dan tekanan yang terjadi pada tubuh di tempat kerja. Model biomekanika sering digunakan untuk menganalisis momen dan gaya pada segmen tubuh, membandingkan keterbatasan kekuatan otot, serta memprediksi kondisi dan postur kerjamanusia.
Biomekanika dapat dikatakan sebagai metode ergonomi yang sangat kuat. Sebuah analisis biomekanik biasanya digunakan untuk kondisi yang melibatkan gaya yang besar (mendorong, menarik, mengangkat, memegang, dan lain-lain) atau postur kerja yang memaksakan tekanan pada tubuh.
Tujuan Tutorial
a. Mampu merancang metode kerja yang didasarkan pada prinsip–prinsip biomekanika. b. Mengetahui besar beban kerja pada saat melakukan kerja.
c. Mampu memahami keterbatasan manusia dari beban kerja yang dibebankan pada anggota tubuh manusia.
d. Mampu memberikan rekomendasi berdasar hasil analisa.
B. INPUT DAN OUTPUT Input :
1. Data operator
2. Video proses pengangkatan 3. Foto hasil screencapture
Output :
1. Gaya tekan pada segmen L5/S1 2. Analisa momen dan gaya beban kerja 3. Perbaikan rancangan sistem kerja
C. REFERENSI
Chaffin, D.B. et al., 1991. Occupational Biomechanics, Wiley New York.
Nurmianto, E., 1996. Ergonomi: Konsep Dasar dan Aplikasinya Tinjauan Anatomi, Fisiologi, Antropometri, Psikologi, dan Komputasi untuk Perancangan, Kerja dan Produk, Jakarta: PT Guna Widya.
Sutalaksana, I.Z., Anggawisastra, R. & Tjakraatmadja, J.H., 1979. Teknik Tata Cara Kerja.
ITB, Bandung.
Tayyari, F. & Smith, J.L., 1997. Occupational ergonomics: Principles and applications, Chapman & Hall.
Waters, T., 1994. Applications manual for the revised NIOSH lifting equation, DHHS (NIOSH) Publication No. 94-110, 32.
D. LANDASAN TEORI D.1 Biomekanika
Biomekanika diklasifikasikan menjadi 2, yaitu (Chaffin dan Anderson, 1991):
a. General Biomechanics
General Biomechanics adalah bagian dari biomekanika yang berbicara mengenai
hukum-hukum dan konsep-konsep dasar yang mempengaruhi tubuh manusia baik dalam posisi diam maupun bergerak. General Biomechanics dibagi menjadi 2, yaitu (Tayyari, 1997): - Biostatics, adalah bagian dari biomekanika umum yang hanya menganalisis tubuh pada
posisi diam atau bergerak pada garis lurus dengan kecepatan seragam (uniform). - Biodinamics adalah bagian dari biomekanik umum yang berkaitan dengan gambaran
gerakan-gerakan tubuh tanpa mempertimbangkan gaya yang terjadi (kinematik) dan gerakan yang disebabkan gaya yang bekerja dalam tubuh (kinetik).
b. Occupational Biomechanics
Didefinisikan sebagai bagian dari terapan yang mempelajari interaksi fisik antara pekerja dengan mesin, material dan peralatan dengan tujuan untuk meminimumkan keluhan pada sistem kerangka otot agar produktifitas kerja dapat meningkat.
Setelah melihat klasifikasi diatas, maka tutorial ini mengacu pada kedua kategori tersebut karena dalam tutorial ini terdapat perhitungan berdasarkan hukum-hukum biomekanika (General Biomechanics) dan diaplikasikan ke dalam dunia kerja (Occupational Biomechanics).
D.2 Analisa Mekanik
D.2.1 Action Limit (AL) dan Maximum Permissible Limit (MPL)
Action Limit (AL) merupakan batasan gaya angkat normal yang direkomendasikan oleh
NIOSH. MPL merupakan batas besarnya gaya tekan pada segmen L5/S1 dari kegiatan pengangkatan dalam satuan Newton yang distandarkan oleh NIOSH (National Instiute
of Occupational Safety and Health) tahun 1981. L5/S1 merupakan singkatan dari
Lumbar kelima Sakrum pertama yang terletak pada bagian tulang belakang. Untuk mengetahui lebih jelas lagi L5/S1 dapat dilihat pada Gambar 2.1 berikut ini:
Gambar 2.1 Klasifikasi dan kodifikasi pada vertebrae (Nurmianto, 1996)
Pada sistem kerangka manusia terdapat beberapa titik rawan, yaitu pada ruas tulang leher, ruas tulang belakang (L5/S1), dan pada pangkal paha. Titik ruas tulang belakang (L5/S1) merupakan titik yang paling rawan terhadap kecelakaan kerja. Karena pada titik tersebut terdapat disk (selaput yang berisi cairan) yang berfungsi untuk meredam pergerakan antar ruas lumbar ke 5 dan sacrum ke 1. Jika tekanan yang diakibatkan pengangkatan beban kerja melebihi MPL (Maximum Premissible Limit) sebagai batasan maksimum, maka akan mengakibatkan pecahnya disk sehingga pekerja akan mengalami kelumpuhan (Nurmianto, 1996). Menurut NIOSH, besar gaya tekan maksimum tersebut adalah 6400 N pada L5/S1, sedangkan batasan gaya angkatan normal (Action Limit) sebesar 3400 pada L5/S1. Sehingga, apabila force compression (Fc) < AL (aman), AL < Fc < MPL (perlu hati-hati) dan apabila Fc > MPL (berbahaya) seperti yang terlihat pada Gambar 2.2 dibawah ini:
AL (3400N) MPL (6400 N)
Gambar 2. 2 Force Compression (NIOSH) Aman
Hati-hati
Berbahaya
L5 S1
Intervertebral disk rentan
Grafik 2.3 di bawah ini menunjukkan tiga kelas pengangkatan dengan batasan action limit dan maximum permissible limit dan perbaikan yang diperlukan.
Gambar 2.3 Ilustrasi tiga kelas pengangkatan (Tayyari & Smith, 1997)
Menurut Tayyari (1997) variasi kapasitas individu dalam aktivitas pengangkatan yang berada antara AL dan MPL terbagi menjadi beberapa kriteria, diantaranya adalah: a. Cidera otot meningkat secara normal dan masih dapat ditoleransi ketika pekerja
melakukan kegiatan pengangkatan hingga AL (epidemiologic criterion).
b. Tekanan gaya biomekanik 3400 N pada L5/S1 intevetebral disk dipengaruhi oleh kondisi AL, namun dapat ditoleransi oleh mayoritas pekerja usia muda dan pekerja yang sehat (biomechanical criterion).
c. Kecepatan metabolis akan bertambah 3.5 kcal/min untuk mayoritas pekerja yang melakukan kegiatan pengangkatan diatas AL (physiologic criterion)
d. Beban pengangkatan hingga AL dapat diterima untuk 99% laki laki dan 75% perempuan dengan resiko dapat kembali cedera.
D.2.2 Presentase Segmen Tubuh
Dalam biomekanika, perhitungan guna mencari momen dan gaya dapat dilakukan dengan cara menghitung gaya dan momen secara parsial atau menghitung tiap segmen yang menyusun tubuh manusia. Setiap segmen tubuh memiliki presentase yang berbeda-beda. Berat dari masing – masing segmen diperoleh dari besarnya presentase per segmen dikalikan dengan berat dari orang tersebut. Gambar 2.4 menunjukkan persentase segmen tubuh manusia.
Gambar 2.2 Persentase Persegmen Tubuh (Tayyari, 1997)
Dalam tutorial ini, perhitungan secara manual dilakukan dengan menggunakan segmen yang mempengaruhi tulang belakang dalam melakukan aktivitas pengangkatan, kecuali segmen kaki dan perhitungan dilakukan berdasarkan asumsi di bawah ini (Tayyari, 1997):
a. Parameter segmen tubuh pada gambar 2.4 telah sesuai.
b. Pusat massa tetap dan dapat direpresentasikan melalui salah satu segmen.
c. Tubuh diasumsikan simetris, dengan beban eksternal terdistribusi dalam jumlah yang sama antara tangan kanan dan kiri.
10,0% 4,3% W 1,4% 8,4% W 50,0% W 2,2% W 6,2% W 2,8% 1,7% W W 0,6% W
1. Telapak tangan
2. Lengan Bawah ΣFy = 0
ΣFx = 0 -- tidak ada gaya horizontal. ΣM = 0 λ2 = 43% WLA = 1,7% x Wbadan Fye = Fyw + WLA Me = Mw + (WLA x λ2 x SL2 x cosθ2) + (Fyw x SL2 x cos θ2) ΣFy = 0
ΣFx = 0 -- tidak ada gaya horizontal. ΣM = 0 WH = 0,6% x Wbadan Fyw = Wo/2 + WH Mw = (Wo/2 + WH) x SL1 x cos θ1 Fyw Fxw Wo WH SL1 Mw 1 Fye Fxe -Fyw WLA SL2 λ2 -Mw Me -Fxw θ2
3. Lengan Atas
NB :Gaya pada lengan atas dikalikan dua (kanan dan kiri)
4. Punggung
Dengan menggunakan teknik perhitungan keseimbangan gaya pada tiap segmen tubuh manusia, maka didapat moment resultan pada L5/S1. Kemudian untuk mencapai keseimbangan tubuh pada aktivitas pengangkatan, moment pada L5/S1 tersebut diimbangi gaya otot pada spinal erector (FM) yang cukup besar dan juga gaya perut (FA) sebagai pengaruh tekanan perut (PA) atau Abdominal Pressure yang berfungsi untuk membantu kestabilan badan karena pengaruh momen dan gaya.
ΣFy = 0
ΣFx = 0 -- tidak ada gaya horizontal. ΣM = 0 λ3 = 43,6% WUA = 2,8% x Wbadan Fys = Fye + WUA Ms = Me + (WUA x λ3 x SL3 x cosθ3) + (Fye x SL3 x cos θ3) Mt ΣFy = 0
ΣFx = 0 -- tidak ada gaya horizontal. ΣM = 0 λ4 = 67% WT = 50% x Wbadan Fyt = 2Fys + WT Mt = 2Ms + (WT x λ4 x SL4 x cos θ4) + (2Fys x SL4 x cos θ4) Fys Fxs -Fye WUA SL3 λ3 -Fxe -Me Ms θ3 -Fxs Fxt SL4 λ4 -Ms -Fys WT Fxt θ 4
Untuk menghitung gaya tekan pada L5/S1 perlu menghitung total gaya yang terjadi yang dapat dirumuskan sebagai berikut:
Wtot = Wo +2 WH + 2 WLA+ 2 WUA + Wt ... (i)
Keterangan:
Wtot = total gaya yang terjadi (Newton)
Wo = berat objek (Newton)
WH = berat telapak tangan (Newton)
WLA = berat lengan bawah (Newton)
WUA = berat lengan atas (Newton)
Wt = berat punggung (Newton)
Untuk mencari Gaya Perut (FA), maka perlu dicari Tekanan Perut (PA) dengan persamaan:
𝑷𝑨 =𝟏𝟎−𝟒 [𝟒𝟑−𝟎,𝟑𝟔𝟎(𝜽𝑯+𝜽𝑻)] 𝟕𝟓 [𝑴𝑳𝟓𝑺𝟏 𝟏,𝟖] ... (ii) 𝑭𝑨 = 𝑷𝑨 𝒙 𝑨𝑨 ... (iii) Keterangan: PA = Tekanan Perut (N/cm2) FA = Gaya Perut (Newton) AA = Luas Diafragma (465 cm2)
θH = Sudut inklinasi perut
θT = Sudut inklinasi paha
Gaya otot pada spinal erector dirumuskan sebagai berikut (Chaffin, 1991):
𝑭𝑴 =𝑴𝑳𝟓/𝑺𝟏−𝑭𝑨 .𝐃
𝑬 ... (iv)
FM = Gaya otot pada Spinal Erector (Newton)
E = Panjang Lengan momen otot spinal erector dari L5/S1 (estimasi 0,05 m; sumber Nurmianto, 1996)
M(L5/S1) = MT = Momen resultan pada L5/S1
FA = Gaya Perut (Newton)
Kemudian gaya tekan/kompresi pada L5/S1 dirumuskan sebagai berikut:
𝑭𝒄 = 𝑾𝒕𝒐𝒕 . 𝒄𝒐𝒔 𝟒− 𝑭𝑨 + 𝑭𝑴... (v) Keterangan:
FC = gaya tekan pada segmen L5/S1 (Newton)
Wtot = berat total (Newton)
θ4 = sudut pada punggung
Berikut merupakan ilustrasi penentuan sudut yang digunakan untuk perhitungan gaya kompresi (Force Compression) yang terlihat pada Gambar 2.5 di bawah:
D.3 Pencegahan CTD
Pencegahan cedera Muskuloskeletal Disorder atau biasa disebut dengan Cumulative
Trauma Disorder (CTDs), dapat dikelompokkan menjadi 3 kategori yaitu Engineering Control, Administrative Control dan Alat Pelindung Diri (APD) seperti yang terdapat
dalam Gambar 2.6 sebagai berikut:
Gambar 2.4 Langkah-langkah pencegahan CTDs (Tayyari, 1997)
Langkah-langkah Pencegahan CTDs Engineering Controls Job Redesign Workplace Redesign Tool Redesign Automation Workplace Accessories Administrative Controls Penjadwalan Waktu Istirahat Rotasi kerja Training Exercise Job/career changes APD
E. CONTOH SOAL
Seorang pekerja mengambil kotak yang memiliki berat 60 kg dimana berat badannya sebesar 65 kg. Jarak pergelangan tangan ke pusat masa benda 0,07 m, θ1 = 20o, jarak pergelangan
tangan-siku = 0,28 m, θ2 = 20o, jarak siku-bahu = 0,3 m, θ3 = 80o, jarak bahu ke L5/S1 = 0,36
m, θ4 = 45o. sudut inklinasi perut 45o, sudut inklinasi paha 50o. Hitunglah gaya tekan pada
L5/S1 tersebut! Penyelesaian : Wo = m * g = 60 * 10 = 600 N Wbadan = m * g = 65 * 10 = 650 N WH = 0,6 % Wbadan = 0,6% * 650 = 3,9 N WLA = 1,7 % Wbadan = 1,7% * 650 = 11,05 N WUA = 2,8 % Wbadan = 2,8% * 650 = 18,2 N WT = 50 % Wbadan = 50% * 650 = 325 N Sehingga, WTOT = Wo + 2WH + 2WLA + 2WUA + WT = 991,3 N
2 = 0.43
3 = 0.436
4 = 0.67 E = 0,05 m D = 0.11 m AA = 465 cm2No Segmentasi Tubuh Panjang (m) Sudut (derajat)
1. Telapak tangan SL1 = 0,07 20o 2. Lengan bawah SL2 = 0,28 20o 3. Lengan Atas SL3 = 0,30 80o 4. Punggung SL4 = 0,36 45o 5. Inklinasi Perut θH = 45o 6. Inklinasi Paha θT = 50o
a. Telapak Tangan
Fyw = Wo/2 + WH = 303,9 N
MW = (Wo/2 + WH) * SL1 * Cos θ1 = 19,99 = 20 Nm
b. Segmen Lengan Bawah Fye = Fyw + WLA= 314,95 N
Me = MW + (WLA *
2 * SL2 * Cos θ2) + (Fyw * SL2 * Cos θ2)= 101,21 Nm c. Segmen Lengan Atas
Fys = Fye + WUA= 333,15 N
Ms = Me + (WUA *
3 * SL3 * Cos θ3) + (Fye * SL3 * Cos θ3)= 118,03 Nm d. Segmen Punggung
Fyt = 2Fys + WT = 991,3 N
Mt = 2Ms+ (WT *
4 * SL4 * Cos θ4) + (2Fys * SL4 * Cos θ4)= 461,1 Nm
e. Gaya perut dan tekanan perut 𝑃𝐴 =10 −4 [43 − 0,360(𝜃 𝐻+ 𝜃𝑇)] 75 [𝑀𝐿5𝑆1 1,8] 𝑃𝐴 =10 −4 [43 − 0,360(45 + 50)] 75 [461,1 1,8] 𝑃𝐴 = 0,73 N/cm2 FA = PA x AA FA = 339,45 Newton
f. Gaya otot pada spinal erector : 𝐹𝑀 = 𝑀𝐿5/𝑆1− 𝐹𝐴 . D 𝐸 𝐹𝑀 = 461,1 − 339,45 . 0,11 0,05 FM = 8475,21 N
g. Gaya Tekan/kompresi pada L5/S1: Fc = Wtot * Cos θ4 + FA + FM
Kesimpulan:
Pekerjaan tersebut membahayakan bagi pekerja dan sebaiknya dilakukan perbaikan secara adimistasi dan teknis sehingga pekerja dapat bekerja dengan sehat tanpa mengalami cedera pada L5/S1 serta tujuan dan target perusahaan dapat tercapai.
F. TUTORIAL
Alur pengerjaan tutorial Biomekanika seperti dijelaskan pada flowchart berikut:
Teori dalam kelas : 1. Penyampaian Materi 2. Post Test
Penentuan Tempat
Pengambilan data 1. Responden Kerja
2. Pengambilan Video Responden 3. screen capture dan penentuan sudut
Data Yang dibutuhkan Terkumpul Pengolahan Data Analisis Data Pengambilan Keputusan Konsuktasi kepada asisten Acc Asisten Pengumpulan Laporan Mulai Sesi Praktikum No Yes
