MAKALAH
SIFAT FISIS ALIRAN DARAH MANUSIA
OLEH :
Dwiria Wahyuni, S.Si
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS TANJUNGPURA
PONTIANAK 2010
HALAMAN PENGESAHAN
1. Judul Makalah :.Sifat Fisis Aliran Darah Manusia
2. Bidang Ilmu : Ilmu Fisika
Pontianak, Februari 2010 Menyetujui,
Ketua Jurusan Fisika, Ketua Peneliti,
Muh. Ishak Jumarang, M.Si Dwiria Wahyuni, S.Si NIP. 197409212003121004 NIP. 198206082008122001
Mengetahui, Dekan FMIPA UNTAN
Prof. Dr. Thamrin Usman, DEA NIP. 196211101988111001
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan hidayahnya, sehingga penulis dapat menyelesaikan makalah ini dengan baik. Makalah ini berjudul Kajian Sifat Fisis Aliran Darah Manusia
Dalam kesempatan ini penulis menyampaikan terima kasih kepada:
1. Bapak Prof. Dr. Thamrin Usman, DEA selaku Dekan Fakultas MIPA Untan. 2. Bapak Muh. Ishak Jumarang, M.Si selaku ketua Jurusan Fisika Fakultas MIPA
Untan
3. Rekan dosen Jurusan Fisika Fakultas MIPA Untan dan pihak lain yang telah banyak membantu terselesaikannya makalah ini
Demikianlah sedikit pengantar dari penulis, semoga makalah ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua.
Pontianak, Februari 2010
DAFTAR ISI
Halaman Pengesahan ... i
Kata Pengantar ... ii
Daftar Isi ... iii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Perumusan Masalah ... 3 1.3 Batasan Masalah ... 4 1.3 Tujuan ... 5 1.4 Manfaat ... 5 BAB II PEMBAHASAN 2.1 Aliran Darah sebagai Fluida Statis ... 6
2.1.1 Massa Jenis Darah ... 7
2.1.2 Tekanan Hidrostatis Fluida ... 9
2.2 Sistem Peredaran Darah Manusia ... 11
2.3 Aliran Darah sebagai Fluida Dinamis... 12
2.3.1 Persamaan Bernoulli ... 13
2.3.2 Viskositas Fluida ... 15
2.4 Hukum Poiseuille ... 17
2.5 Kerja Jantung ... 19
2.6 Tekanan Darah dan Pengukurannya ... 20
2.6.1 Spigmomanometer... 21
2.6.2 Hipertensi dan Penyakit Radiovaskular ... 23
BAB III KESIMPULAN DAN SARAN 3.1 Kesimpulan ... 28
3.2 Saran ... 28
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kesehatan merupakan suatu keadaan dimana tubuh, jiwa, dan sosial dalam keadaan baik yang memungkinkan manusia untuk dapat melakukan aktivitas. Kesehatan merupakan hal yang harus selalu dipelihara. Pemeliharaan kesehatan adalah upaya pencegahan gangguan kesehatan ataupun upaya penanggulangannya yang berupa pemeriksaan, pengobatan, atau perawatan kesehatan. Upaya pemeliharaan kesehatan dapat dilakukan melalui pendidikan kesehatan sehingga seseorang dapat bertindak berdasarkan pengetahuan, baik untuk kesehatan pribadinya dan orang lain.
Darah merupakan cairan yang terdiri dari plasma (cairan bening) dan sel-sel darah (sel darah merah, sel darah putih dan sel pembeku darah). Di dalam tubuh manusia, darah mengalir ke seluruh bagian (organ-organ) tubuh secara terus-menerus untuk menjamin suplai oksigen dan zat-zat nutrien lainnya agar organ-organ tubuh tetap dapat berfungsi dengan baik. Aliran darah keseluruh tubuh dapat berjalan berkat adanya pemompa utama yaitu jantung dan sistem pembuluh darah (sistem kardiovaskular) sebagai alat pengalir atau distribusi (Wijaya, 2009).
Menurut Cameron, dkk., (2006) darah dan oksigen yang dibawanya sedemikian penting bagi tubuh sehingga jantung adalah organ penting pertama yang terbentuk pada masa mudigah, dan delapan minggu
setelah konsepsi jantung mulai bekerja untuk mengedarkan darah ke jaringan janin. Pada tubuh manusia, darah, pembuluh darah, dan jantung membentuk sistem kardiovaskular.
Fluida merupakan zat yang dapat mengalir. Fluida mengalir di bawah pengaruh tekanan gravitasi bumi yang bekerja terhadapnya. Darah dalam tubuh manusia termasuk dalam fluida. Jati dan Priyambodo (2008) menyatakan bahwa meskipun fluida berbeda dengan partikel yang merupakan zat yang tidak dapat mengalir, fluida juga memiliki sifat mekanika seperti halnya partikel, hanya saja untuk alasan praktis ditampilkan berbeda dengan mekanika partikel. Misalnya, besaran massa (pada mekanika partikel) diubah menjadi massa jenis (pada mekanika fluida), besaran gaya (pada mekanika partikel) yang ditampilkan tekanan (pada mekanika fluida). Massa jenis dan tekanan dipilih untuk menerangkan sifat mekanis dari fluida, sebab pengamat tidak mungkin meninjau massa setiap partikel (molekul) fluida atau gaya yang diderita setiap partikel penyusun fluida.
Tekanan darah yang dikenal dalam keseharian merujuk pada tekanan yang dialami darah pada pembuluh arteri darah ketika darah dipompa ke seluruh organ tubuh manusia oleh jantung. Tekanan darah yang dimiliki manusia berbeda dalam setiap fase kehidupannya berdasarkan usia. Aktivitas fisik yang dilakukan oleh manusia juga memberikan pengaruh terhadap tekanan darahnya. Bila tekanan darah lebih rendah dari biasanya (dari tekanan darah normal) secara
berkelanjutan, maka pada orang itu dapat dikatakan mengalami masalah darah rendah, dan sebaliknya pada masalah darah tinggi.
Tekanan darah tinggi, atau dalam dunia kedokteran dikenal sebagai hipertensi merupakan salah satu penyakit penyebab kematian. Menurut Widjaja (1994) hipertensi adalah penyebab paling lazim dari stroke. Akibat lainnya dari hipertensi adalah bahwa penderita beresiko terkena serangan jantung, kegagalan jantung, gagal ginjal, ataupun kebutaan.
Sebagai salah satu jenis fluida yang memiliki sifat-sifat fisis sebagaimana jenis fluida lainnya, darah dapat dikaji pula secara fisika. Fisika fluida merupakan bagian dasar ilmu fisika yang penting, karena fluida merupakan bagian yang tak terpisahkan pada kehidupan makhluk di atas bumi. Demikian pula dengan aliran darah manusia yang memiliki sifat fisis dan juga berhubungan erat dengan kehidupan manusia karena menunjang kelangsungan hidup, merupakan hal yang menarik untuk dibahas secara fisika.
1.2 Perumusan Masalah
Ilmu fisika sebagai cabang ilmu yang menjelaskan segala fenomena yang berlangsung di alam, memiliki keterkaitan dalam pemaparan mengenai aliran darah ini. Cabang ilmu fisika yang lebih khusus membahas mengenai aspek-aspek fisika yang berlangsung pada makhluk hidup adalah bidang biofisika. Oleh karena darah merupakan salah satu jenis zat alir (fluida), maka aliran darah pada tubuh manusia
dapat dikaji pula berdasarkan aspek fisisnya. Permasalahan yang dapat dikemukakan adalah sebagai berikut :
1. Bagaimana sistem peredaran darah dalam tubuh manusia dan apa saja komponen sistem radiovaskular?
2. Sifat dan hukum fisika fluida apa saja yang dimiliki oleh darah pada tubuh manusia?
3. Bagaimana kerja dan energi yang dilakukan jantung?
4. Bagaimana cara kerja alat ukur tekanan darah yang memanfaatkan sifat fisika fluida?
5. Bagaimana menjelaskan beberapa penyakit radiovaskular secara fisika?
1.3 Batasan Masalah
Ruang lingkup dari makalah ini adalah mengenai aliran darah manusia yang ditinjau dengan ilmu fisika. Agar pembahasan makalah ini dapat terarah dan tidak menyimpang dari tujuannya, maka penulis membatasi permasalahannya sebagai berikut.
1. Cakupan ilmu fisika yang dibahas adalah bidang biofisika yang merupakan aplikasi dari hukum-hukum fisika dalam menganalisa sistem biologi.
2. Fenomena dan aspek-aspek fisika yang berlaku pada darah sebagai zat alir, dijabarkan berdasarkan hukum-hukum fisika fluida yang berlangsung dalam aliran darah pada tubuh manusia tanpa banyak menyinggung aspek biologi kesehatan.
1.4. Tujuan
Tujuan dari penulisan makalah ini adalah untuk menjabarkan sifat fisis dan fenomena fisis yang terjadi dalam aliran darah pada tubuh manusia yang memiliki sifat fluida dan padanya berlaku hukum-hukum fisika fluida baik sebagai fluida statis maupun fluida dinamis.
1.5 Manfaat
Manfaat dari penulisan makalah ini adalah untuk memahami fenomena fisis dan hukum-hukum fisika yang terjadi dalam aliran darah pada tubuh manusia. Tulisan ini diharapkan dapat dimanfaatkan oleh berbagai pihak yang ingin mengetahui kajian fisis mengenai aliran darah dalam tubuh manusia.
BAB II PEMBAHASAN
2.1 Aliran Darah sebagai Fluida Statis
Fluida diartikan sebagai suatu zat yang dapat mengalir. Keadaan bahan dapat digolongkan sebagai zat padat dan fluida. Fluida mencakup zat cair dan gas, karena dapat mengalir dari satu satu tempat ke tempat lain. Fluida tidak mempertahankan bentuknya. Menurut Gabriel (1996) pada zat cair, molekul-molekulnya terikat secara longgar namun tetap berdekatan, sedangkan pada zat gas, molekul-molekulnya dapat bergerak bebas dan saling bertumbukan. Sementara zat padat tidak dapat mengalir karena zat padat memiliki sifat untuk cenderung tegar dan mempertahankan bentuknya.
Fluida merupakan salah satu aspek yang penting dalam kehidupan. Setiap hari fluida dihirup, atau diminum oleh manusia. Setiap hari pesawat udara terbang melaluinya, kapal laut mengapung di atasnya; demikian juga kapal selam dapat mengapung atau melayang di dalamnya. Air yang diminum dan udara yang dihirup manusia juga bersirkulasi di dalam tubuh setiap saat (Lohat, 2009).
Sebagai mahkluk yang berdiam di atas bumi, manusia memerlukan fluida dalam kehidupannya, baik fluida cair ataupun gas. Menurut Jati dan Priyambodo (2008) manusia hidup di dasar lautan udara yang merupakan atmosfir bumi. Atmosfir merupakan tekanan udara di
daerah udara terbuka di permukaan bumi. Tekanan atmosfir terbesar berada di permukaan laut, besarnya 1 atmosfer.
Tinjauan fluida statis adalah ketika fluida tersebut sedang diam pada keadaan setimbang, dengan kata lain adalah keadaan saat fluida tidak sedang bergerak. Tekanan normal adalah tekanan oleh fluida pada seluruh permukaan yang memiliki kontak langsung dengan fluida, akibat dari sifatnya yang tidak mudah termampatkan. Pada fluida statis, tekanan normal bekerja dengan ke segala arah sama besar (isotropik).
Darah merupakan fluida yang terdapat dalam semua makhluk hidup tingkat tinggi kecuali tumbuhan. Darah memiliki fungsi seperti mengirimkan oksigen dan zat-zat yang dibutuhkan ke jaringan tubuh, dan juga berfungsi dalam mengangkut hasil metabolisme.
2.1.1 Massa Jenis Darah
Massa jenis fluida (ρ) didefinisikan sebagai perbandingan antara massa fluida (m) terhadap volumenya (V) yang dapat dituliskan dengan persamaan berikut
Hani dan Riwidikdo (2008) menyatakan bahwa kerapatan air dipengaruhi oleh temperatur. Semakin tinggi temperatur maka massa jenis air semakin kecil karena jarak antar partikelnya semakin besar sehingga untuk menampung sejumlah atom diperlukan volume yang besar. Demikian pula sebaliknya, semakin rendah temperatur maka massa jenis air semakin besar karena jarak antar partikel semakin kecil
sehingga sejumlah atom cukup menempati volume yang kecil. Perbandingan kerapatan suatu zat terhadap kerapatan air dinamakan berat jenis.
Walaupun umumnya zat padat dan cairan mengembang sedikit jika dipanaskan dan menyusut sedikit bila dipengaruhi pertambahan tekanan eksternal, perubahan dalam volume ini relatif kecil, sehingga dapat dikatakan bahwa kerapatan zat padat dan cairan secara umum hampir tidak bergantung pada temperatur dan tekanan. Sebaliknya, kerapatan gas sangat bergantung pada tekanan dan temperatur sehingga keduanya harus dinyatakan bila memberikan kerapatan gas (Tipler, 2001).
Massa jenis darah sebagaimana fluida homogen lainnya dapat bergantung pada faktor lingkungan yaitu suhu dan tekanan. Satuan Sistem Internasional untuk massa jenis adalah kilogram per meter kubik (kg/m3), dan untuk satuan CGS, satuan massa jenis adalah gram per sentimeter kubik (gr/cm3). Berikut disajikan massa jenis darah dan beberapa fluida lainnya.
Tabel 2.1 Massa jenis beberapa fluida
No Jenis Fluida Massa Jenis (kg/m3)
1 Darah 1,06 x 103
2 Air 1,00 x 103
3 Air Laut 1,03 x 103
4 Air raksa 13,6 x 103
2.1.2 Tekanan Hidrostatis Fluida
Sebuah benda yang dicelupkan dalam fluida, akan menerima gaya oleh fluida yang tegak lurus permukaan benda itu pada setiap titik pada permukaannya. Jika benda tersebut cukup kecil, maka perbedaan kedalaman fluida dapat diabaikan, sehingga gaya oleh fluida sama di semua titik. Gaya (F) per satuan luas (A) dinamakan sebagai tekanan fluida (P).
A
F
P
(2.2)Besaran gaya per satuan luas sebanding dengan besar tekanan. Untuk suatu volume fluida yang sangat kecil pada kedalaman tertentu akan memberikan tekanan ke atas untuk mengimbangi berat fluida diatasnya. Berat fluida yang ada di atasnya sebanding dengan tekanan. Jika sebuah benda berada di bawah permukaan zat cair pada kedalaman h, maka tekanan yang diderita oleh benda adalah
gh
P
(2.3)Pada tekanan atmosfir P0, fluida pada kedalaman h akan mengalami
tekanan P sebesar
gh
P
P
0
(2.4)Menurut Tipler (2001) bahwa tekanan pada kedalaman h lebih besar daripada tekanan di bagian atas sejumlah ρgh berlaku untuk cairan dalam bejana apapun, tidak bergantung pada bentuk bejana. Dengan demikian, tekanan adalah sama di setiap titik pada kedalaman
yang sama. Konsep ini pertama kali diformulasikan oleh Blaise Pascal yang dikenal sebagai Prinsip Pascal dalam pernyataannya bahwa tekanan yang diberikan pada suatu fluida dalam bejana tertutup diteruskan tanpa berkurang ke tiap titik dalam fluida dan dinding bejana.
Fluida dapat mentransmisikan gaya sepanjang sebuah pipa atau tabung. Jika sebuah gaya diberlakukan pada fluida dalam sebuah pipa, maka gaya tersebut akan ditransmisikan hingga ujung pipa. Jika terdapat gaya lawan di ujung pipa yang besarnya tidak sama dengan gaya yang ditransmisikan, maka fluida akan bergerak dalam arah yang sesuai dengan arah gaya resultan (Wikipedia, 2009)
Persamaan tekanan hidrostatis (Pers. 2.4) ini juga berlaku dalam aliran darah pada tubuh. Ketika jantung berkontraksi menyebabkan darah terpompa keluar jantung pada tekanan P0, yang kemudian
mengalir sepanjang pembuluh arteri. Darah akan mengalir ke otak yang memiliki ketinggian h relatif terhadap jantung. Massa jenis darah dituliskan sebagai ρd. Percepatan gravitasi adalah g. Dengan demikian
nilai dari ρdgh adalah negatif. Tekanan hidrostatis darah (Ph) di otak
dapat dituliskan sebagai berikut
gh
P
P
h
0
(2.5)Tekanan hidrostatis darah ketika di otak adalah tekanan hidrostatis oleh jantung yang terjadi di pembuluh arteri yang ada di otak. Arah tekanan hidrostatis ini sejajar dengan luas penampang pembuluh arteri otak.
2.2 Sistem Peredaran Darah Manusia
Sistem peredaran darah manusia ada dua macam yaitu sirkulasi paru (sistem peredaran darah kecil) dan sirkulasi sistemis (sistem peredaran darah besar). Gambar 2.1 menunjukkan penampang melintang anatomi jantung. Pada sistem peredaran darah kecil, pada arteri pulmonalis memiliki tekanan rendah yaitu sekitar 15 – 20 mmHg. Sirkulasi paru ini dimulai dari ventrikel kanan ke arteri pulmonalis, arteri besar dan kecil, pembuluh kapiler lalu masuk ke paru, setelah dari paru keluar melalui vena kecil, vena pulmonalis dan akhirnya kembali ke atrium kiri.
Gambar 2.1. Potongan Melintang Anatomi Jantung (Sumber: LIPI, 2010)
Sirkulasi sistemis dimulai dari ventrikel kiri. Darah dipompa oleh otot jantung di ventrikel kiri dengan tekanan sekitar 125 mmHg ke aorta dan sistem arteri (arteri besar dan arteri kecil) yang
bercabang-cabang dan semakin mengecil (arteriol). Darah kemudian menjadi pembuluh sangat halus yaitu jaringan kapiler dan berada di sana selama beberapa detik. Pada keadaan ini, darah menyalurkan O2 ke sel dan
menyerap CO2dari sel. Setelah melewati jaringan kapiler, darah terkumpul
di venula, dan secara bertahap bergabung menjadi vena besar. Darah kemudian masuk ke atrium kanan jantung melalui dua vena utama yaitu vena kava inferior dan vena kava superior.
Darah yang tersimpan di atrium kanan akan kembali mengalir ke ventrike kanan dengan tekanan sebesar 5-6 mmHg, kemudian terjadi kontraksi, dan darah dipompa ke sistem kapiler paru melalui pembuluh arteri pulmonalis dengan tekanan sebesar 25 mmHg. Di paru-paru, darah memperoleh banyak O2 dan sebagian CO2 terdifusi ke udara di paru dan
mengalir keluar melalui hembusan nafas. Darah yang mendapat O2 tadi
mengalir dari paru-paru ke atrium kiri melalui vena utama paru, dengan tekanan kontraksi atrium sekita 7-8 mmHg, darah mengalir ke ventrikel kiri. Dengan kontraksi ventrikel, darah kembali terpompa ke sirkulasi umum darah. Untuk menjalani satu siklus lengkap sistem peredaran darah ini, sel darah orang dewasa memerlukan waktu sekitar satu menit.
2.3 Aliran Darah sebagai Fluida Dinamis
Pada fluida dinamis, fluida ditinjau ketika sedang bergerak. Pada bagian ini, fluida yang dibahas akan melibatkan beberapa besaran fisis fluida yaitu kecepatan, tekanan, kerapatan, dan suhu.
2.3.1 Persamaan Bernoulli
Persamaan Bernoulli merupakan persamaan dasar dalam hidrodinamika untuk menjelaskan fenomena fisis yang berhubungan dengan aliran fluida. Persamaan ini menjelaskan berbagai hal yang berkaitan dengan kecepatan fluida, tinggi permukaan fluida dan tekanannya.
Gambar 2.2 Aplikasi Hukum Bernoulli pada Pipa (Sumber: Weisstein, 2007)
Pada hukum Bernoulli, yang diturunkan dari hukum Newton mengenai teorema kerja-energi dan diaplikasikan pada fluida, digunakan untuk menjelaskan fenomena fisis gerakan zat alir melalui suatu penampang pipa.
Menurut Gabriel (1996), Bernoulli menjelaskan fenomena fluida dengan meletakkan beberapa syarat terhadap fluida yang dikaji yaitu: fluida tidak viskos, mengalir secara stasioner dan merupakan aliran tunak (steady), serta fluida kontinu dan tidak termampatkan. Persamaan Bernoulli dapat dituliskan sebagai berikut
konstan
2 2 1
gh
v
P
(2.6)dengan P adalah tekanan fluida terhadap pipa, dan v adalah kecepatan fluida mengalir.
Batasan yang diletakkan oleh Bernoulli juga berlaku pada aliran darah. Persamaan itu bisa digunakan untuk menentukan tekanan maupun kecepatan darah mengalir dalam pembuluh, dengan pembuluh dianggap bersifat seperti pipa yang dilalui oleh fluida. Di dalam tubuh, pembuluh-pembuluh darah tidak selalu memiliki diameter sama.
Gambar 2.3 Aliran fluida pada pipa berpenampang berbeda (Sumber: Lohat, 2009)
Gambar 2.3 menunjukkan aliran fluida yang melewati dua penampang yang berbeda diameter. Pada darah yang mengalir seperti fluida dinamis, telah dijabarkan bahwa aliran fluida tidak kental, konstan, tak termampatkan, dan tunak. Dengan demikian dapat diketahui bahwa debit darah (Q) yang mengalir dengan kecepatan v dalam sistem peredaran darah manusia melewati pembuluh darah berpenampang A adalah konstan. Pada aliran darah berlangsung sifat kontinuitas fluida yang dapat dituliskan dalam persamaan berikut
konstan
Av
Q
(2.7)darah maupun besar penebalan dinding pembuluh darah manusia, misalnya pada seseorang yang mengalami arterioclorosis (penebalan dinding pembuluh darah)
2.3.2 Viskositas Fluida
Viskositas atau kekentalan fluida sebenarnya merupakan gaya gesek antar molekul penyusun suatu fluida Pada zat cair, viskositas disebabkan karena adanya gaya kohesi (gaya tarik menarik antara molekul sejenis). Sedangkan dalam zat gas, viskositas disebabkan oleh tumbukan antara molekul.
Darah juga memiliki sifat viskositas ini. Darah yang lebih cair biasanya lebih mudah mengalir. Semakin kental maka gaya tarik yang dibutuhkan juga makin besar. Dalam hal ini, gaya tarik (F) berbanding lurus dengan koofisien kekentalan (η). Gaya tarik juga bergantung pada luas penmpang A, kecepatan darah mengalir v, dan jarak l.
l
v
A
F
(2.8)Satuan SI untuk koofisien viskositas adalah Ns/m2 = Pa.s. Satuan CGS yaitu dyne.s/cm2 = poise (P). Viskositas juga sering dinyatakan dalam sentipoise (cP).
Tabel 2.2 Viskositas beberapa fluida (Tipler, 2001)
Jenis Fluida Suhu (°C) Koefisien Viskositas(Pa.s)
Air 0
20
1,8 x 10-3 1,0 x 10-3
60 100 0,65 x 10-3 0,3 x 10-3 Darah (keseluruhan) 37 4,0 x 10-3 Plasma Darah 37 1,5 x 10-3 Ethyl alkohol 20 1,2 x 10-3
Oli mesin (SAE 10) 30 200 x 10-3
Gliserin 0 10.000 x 10-3
Udara 20 0,018 x 10-3
Hidrogen 0 0,009 x 10-3
Uap air 100 0,013 x 10-3
Wijaya (2009) menjelaskan beberapa faktor yang mempengaruhi viskositas darah adalah:
1. Volume hematokrit (volume sel darah merah): volume hematokrit yang meningkat akan diikuti viskositas darah yang meningkat.
2. Kadar protein plasma: bila kadarnya naik maka viskositas naik dan sebaliknya.
3. Suhu tubuh: bila suhu tubuh naik, viskositas turun.
4. Kecepatan aliran darah: bila kecepatan aliran darah turun maka viskositas naik.
5. Bila diameter pembuluh darah kurang dari 1,5 mm, maka viskositas darah turun. Hal ini dikenal sebagai Fahreus-Lindquist effect. Di dalam pembuluh darah kecil dimana darah mengalir lambat, maka kecepatan dan diameter bekerja saling berlawanan.
2.4 Hukum Poiseuille
Persamaan Poiseuille, dikemukakan oleh Jean Louis Marie Poiseuille (1799-1869), seorang ilmuwan prancis yang tertarik pada aspek-aspek fisika dari peredaraan darah manusia. Poiseuille melakukan penelitian untuk melihat pengaruh perbedaan tekanan, luas penampang pembuluh terhadap laju darah.
Gambar 2.4 Laju aliran Fluida (Sumber: Lohat, 2009) Keterangan :
R = jari-jari pipa/tabung
v1= laju aliran fluida yang berada di tengah/sumbu tabung
v2= laju aliran fluida yang berjarak r2dari pinggir tabung
v3= laju aliran fluida yang berjarak r3dari pinggir tabung
v4= laju aliran fluida yang berjarak r4dari pinggir tabung
Darah sebagai fluida riil mempunyai viskositas, sehingga ketika mengalir dalam pembuluh darah, laju setiap bagian darah berbeda-beda. Lapisan darah yang berada tengah-tengah bergerak lebih cepat, dan semakin lambat menuju dinding pembuluh, hingga tak bergerak pada bagian yang menempel dengan dinding pembuluh. Gambar 2.3 menunjukkan perbedaan laju aliran fluida pada pipa.
Menurut Lohat (2009) agar laju aliran setiap bagian fluida sama, maka perlu ada perbedaan tekanan pada kedua ujung pipa atau tabung apapun yang dilalui fluida. Selain membantu suatu fluida riil mengalir dengan lancar, perbedaan tekanan juga bisa membuat fluida bisa mengalir pada pipa yang ketinggiannya berbeda. Persamaan laju aliran volume fluida dalam tabung dapat dinyatakan berikut ini
Keterangan :
Berdasarkan Persamaan 2.9, tampak bahwa laju aliran volume fluida atau debit aliran (Q) sebanding dengan pangkat empat jari-jari
tabung (R4), gradien tekanan (P2-P1/l) dan berbanding terbalik dengan
viskositas (η). Jika jari-jari tabung ditambahkan (koofisien viskositas dan gradien tekanan tetap), maka debit fluida meningkat 16 kali. Pada jarum suntik juga digunakan persamaan ini. Debit fluida sebanding dengan jari-jari tabung, maka jari-jari-jari-jari jarum suntik atau jari-jari-jari-jari pipa perlu diperhitungkan terhadapa gaya tekan ibu jari saat menyuntik.
Persamaan Poiseuille juga menunjukkan jari-jari, berbanding terbalik dengan perbedaan tekanan antara kedua ujung pipa. Misalnya mula-mula darah mengalir dalam pembuluh darah yang mempunyai jari-jari dalam sebesar r. Kalau terdapat penyempitan pembuluh darah, maka diperlukan perbedaan tekanan sebesar 16 kali untuk membuat darah mengalir seperti semula (Lohat, 2009). Saat penyempitan pembuluh darah terjadi, jantung akan bekerja lebih kuat. Dengan memaksa jantung bekerja lebih keras, akan memberikan resiko seseorang terkena penyakit stroke, dan penyakit radiovaskular lainnya.
2.5 Kerja Jantung
Proses sirkulasi darah manusia terjadi dengan adanya kontraksi otot jantung. Selama proses berlangsung, jantung melakukan kerja sebesar W. Darah mengalir melalui sirkulasi sistemik dengan tekanan puncak sekitar 120 mmHg (16 kPa) dari tiap siklus jantung. Pada fase istirahat, tekanan biasanya adalah 80 mmHg (10,5 kPa). Karena melakukan kerja, jantung juga dikatakan mempunyai daya. Daya merupakan laju pemakaian
energi (ΔE/Δt) oleh jantung yang sebanding dengan volume darah yang dipompa tiap waktu (ΔV/Δt) pada tekanan konstan P.
Daya = ΔE/Δt = P. ΔV/Δt (2.10)
Jika tekanan rata-rata yang dimiliki adalah 100 mmHg (13kPa), maka kerja yang dilakukan oleh jantung (W) adalah sebesar 1,1 joule. Pada orang dewasa normal, volume darahnya adalah 80 mL, sehingga daya yang dimiliki oleh jantung tiap detiknya adalah 1,1 watt. Jantung sebagaimna mesin lainnya juga memiliki efisiensi. Menurut Cameron dkk (2006) efisiensi jantung biasanya kurang dari 10%. Saat bekerja berat, tekanan darah dapat meningkat sebesar 50%, volume darah meningkat 5 kali, sehingga energi yang dikeluarkan jantung meningkat sebanyak 7,5 kali lipat per menit. Gambar 2.5 menunjukkan alat deteksi bunyi jantung yaitu stetoskop.
Gambar 2.5 Stetoskop (Sumber: Google, 2010) 2.6 Tekanan Darah dan Pengukurannya
Tekanan darah secara fisika memiliki pengertian yang berbeda dengan tekanan hidrostatis darah. Tekanan hidrostatis darah adalah
tekanan hidrostatis oleh jantung yang terjadi di pembuluh arteri otak, yang berlangsung saat jantung berkontraksi sehingga darah terpompa keluar jantung dan mengalir ke otak. Tekanan hidrostatis darah memiliki arah yang sejajar dengan penampang pembuluh darah arteri. Sementara istilah tekanan darah yang digunakan dalam keseharian memiliki arah yang menekan pembuluh darah menjauhi sumbunya.
Tekanan darah yang dimiliki manusia berbeda dalam setiap fase kehidupannya berdasarkan usia. Secara umum, orang dewasa memiliki tekanan darah yang jauh lebih tinggi daripada tekanan yang dimiliki bayi dan anak-anak. Tekanan darah juga dipengaruhi oleh aktivitas fisik, dimana akan lebih tinggi pada saat melakukan aktivitas dan lebih rendah ketika beristirahat. Tekanan darah dalam satu hari juga berbeda; paling tinggi di waktu pagi hari dan paling rendah pada saat tidur malam hari.
2.6.1 Spigmomanometer
Besar tekanan darah diukur dengan spigmomanometer (Gambar 2.6). Tekanan yang terukur adalah tekanan yang diberikan oleh pembuluh darah dan berarah tegak lurus terhadap arah aliran darah. Prinsip kerja spigmomanometer bersesuaian dengan fenomena fisika fluida. Spigmomanometer terdiri atas manometer air raksa, pressure cuff, dan stetoskop. Pressure cuff dipasang pada lengan kemudian dipompa perlahan dengan tujuan aliran darah dapat dihentikan sementar. Aliran darah adalah aliran laminer. Pada keadaan ini air raksa pada manometer akan naik. Pada skala tertentu, pressure
cuff dibuka perlahan. Stetoskop diletakkan pada tangan daerah volar tepat diatas arteri brankhialis. Pada skala tertentu dimana air raksa turun setelah pressure cuff dilepas, aliran darah berubah menjadi aliran turbulen. Vibrasi aliran turbulen akan terdengar pada stetoskop yang dinyatakan sebagai tekanan sistolik, dan pada saat bunyi vibrasi menghilang adalah tekanan diastolik.
Gambar 2.6 spigmomanometer (Sumber: Google, 2010)
Prinsip kerja alat pengukur tekanan darah sama dengan prinsip kerja manometer tabung U yang terdiri dari dua kolom. Manometer adalah alat pengukur tekanan yang menggunakan tinggi kolom (tabung) yang berisi dua jenis fluida untuk menentukan tekanan. Pada manometer berlaku hubungan
2 2 1
1
h
h
P
A
(2.11)Fluida pada kolom 1 dapat berupa cairan atau gas. Pada manometer air raksa, fluida pada kolom 1 berisi udara sehingga tekanan γ1h1 dapat
diabaikan karena berat udara cukup ringan sehingga P2 hampir sama
dengan PA. Dalam kasus alat pengukur tekanan darah, h2 adalah tinggi air
raksa dengan pembacaan pada kaca tabung dan γ2 adalah berat spesifik
2.6.2 Hipertensi dan Penyakit Radiovaskular
Hipertensi atau tekanan darah tinggi terjadi saat volume darah meningkat atau saluran darah menyempit sehingga membuat jantung harus memompa lebih keras untuk menyuplai oksigen dan nutrisi ke setiap sel tubuh. Menurut Solomon (2008) tekanan darah tinggi merupakan salah satu lampu merah yang paling jelas dalam mengindikasikan adanya masalah dalam jantung dan pembuluh darah seseorang. Ketika seseorang didiagnosa menderita tekanan darah tinggi maka dia memiliki kemungkinan tujuh kali lipat menderita stroke, empat kali lipat mendapatkan serangan jantung dan lima kali lipat kemungkinan meninggal karena kegagalan jantung.
Menurut Wijaya (2009) jenis tekanan darah dapat dibedakan sebagai berikut:
1. Tekanan sistole yaitu tekanan darah tertinggi selama 1 siklus jantung, merupakan tekanan yang dialami pembuluh darah saat jantung berdenyut atau memompakan darah keluar jantung. Pada orang dewasa normal tekanan sistole berkisar 120 mm Hg
2. Tekanan diastole yaitu tekanan darah terendah selama 1 siklus jantung, suatu tekanan di dalam pembuluh darah saat jantung beristirahat. Pada orang dewasa tekanan diastole berkisar 80 mm Hg
3. Tekanan nadi yaitu selisih antara tekanan sistole dan diastole.
Tekanan darah diukur berdasarkan tekanannya terhadap dinding pembuluh darah (yang besarannya dinyatakan dalam mmHg). Angka 120/80 mmHg adalah tekanan darah yang normal yang terjadi waktu
jatung memompa (systole) dan beristrirahat (diastole). Jika tekanan darah melebihi tingkat normal, maka resiko kerusakan dapat terjadi pada organ vital seperti jantung,, ginjal, otak dan mata. Hal ini meningkatkan resiko kejadian yang bisa berakibat fatal seperti serangan jantung dan stroke.
Secara biologis, sistem Renin merupakan sistem yang mengatur tekanan darah dalam tubuh. Dia berkerja dengan melepaskan protein, seperti angiotensin II (Ang II), yang dapat mempengaruhi volume darah dan kontraksi pembuluh darah. Sistem Renin diaktifkan oleh enzim Renin. Karena itu riset tentang hipertensi dan pengembangan obat-obatannya dari dulu sudah difokuskan pada pengontrolan berbagai titik dalam sistem Renin. (Docstoc, 2009)
Menurut Surono (2000) seseorang dikatakan menderita hipertensi jika tekanan sistolik lebih besar dari 140 mmHg dan tekanan diastolik lebih besar dari 90 mmHg, dan terjadi secara konsisten. Tekanan darah normal adalah 120/80 mmHg. Hipertensi pada umumnya berkembang saat usia lanjut. Faktor sejarah keluarga yang memiliki hipertensi mempertinggi resiko, sama seperti merokok, dan kegemukan.
Meningkatnya tekanan darah di dalam arteri bisa terjadi melalui beberapa cara (Wikipedia, 2009):
1. Jantung memompa lebih kuat sehingga mengalirkan lebih banyak cairan pada setiap detiknya
2. Arteri besar kehilangan kelenturannya dan menjadi kaku, sehingga mereka tidak dapat mengembang pada saat jantung memompa darah melalui arteri tersebut. Karena itu darah pada setiap denyut jantung
dipaksa untuk melalui pembuluh yang sempit daripada biasanya dan menyebabkan naiknya tekanan. Inilah yang terjadi pada usia lanjut, dimana dinding arterinya telah menebal dan kaku karena arteriosklerosis. Dengan cara yang sama, tekanan darah juga meningkat pada saat terjadi vasokonstriksi, yaitu jika arteri kecil (arteriola) untuk sementara waktu mengkerut karena perangsangan saraf atau hormon di dalam darah.
3. Bertambahnya cairan dalam sirkulasi bisa menyebabkan meningkatnya tekanan darah. Hal ini terjadi jika terdapat kelainan fungsi ginjal sehingga tidak mampu membuang sejumlah garam dan air dari dalam tubuh. Volume darah dalam tubuh meningkat, sehingga tekanan darah juga meningkat.
Solomon (2008) menyatakan bahwa pada kasus serangan jantung, tidak terdapat cukup darah yang kaya akan nutrisi dan oksigen untuk memberi makan sel-sel jantung. Akibatnya, beberapa sel jantung mati. Saat sel jantung yang mati cukup banyak, akan terjadi serangan jantung. Hal ini dapat terjadi secara tiba-tiba sebagai akibat gumpalan kolesterol atau kalsium ataupun fibrin pada arteri koroner atau sebuah embolus, yaitu gumpalan darah yang terlepas dari bagian tubuh yang lain dan menyumbat pembuluh koroner anda. Hal ini membuat aliran darah tidak lancar, karena terdapat plak. Berdasarkan hukum Poiseuille, saat terjadi penyempitan pembuluh darah maka jari-jari pembuluh darah akan mengecil sehingga meningkatkan tekanan darah.
Penyakit stroke dapt disebabkan oleh pembuluh darah otak yang pecah akibat tidak kuat menahan tekanan darah yang sangat tinggi (Kusminarto, 2007). Jika tekanan diastole jauh lebih besar daripada normal (> 90 mmHg) berarti pembuluh darah cenderung tertekan keluar, artinya pembuluh darah sudah tidak elastis dan rawan pecah (Jati dan Priyambudi, 2009). Pada stroke, jaringan-jaringan otak menjadi rusak karena kurangnya alirah darah akibat adanya gumpalan darah dalam pembuluh darah yang menyempit (artherosclerosis). Keadaan ini memaksa jantung untuk memompa lebih kuat.
Pada kondisi penderita kolesterol tinggi namun memiliki tekanan darah normal mengakibatkan penurunan kerja organ tubuh. Saat tekanan darah normal, resiko terkena serangan stroke mungkin sangat kecil. Kondisi tubuh yang memiliki kolesterol tinggi cukup membahayakan kesehatan. Adanya kolesterol dalam pembuluh darah, akan menyebabkan penyempitan pembuluh darah. Menurut hukum Poiseuille, penyempitan pembuluh darah menyebabkan jari-jari pembuluh (r) mengecil, namun tekanan P tidak berubah. Akibat dari keadaan ini debit darah (Q) akan menurun sehingga frekuensi detak jantung melemah berarti pemompaan darah berkurang. Kondisi ini merupakan keabnormalan jantung. Jika berlangsung dalam waktu lama, akan menurunkan kerja organ tubuh karena kurangnya pasokan nutrisi dan oksigen yang biasanya didapatkan dari darah. Keadaan ini akan mengakibatkan harus adanya pembatasan kegiatan atau aktivitas fisik yang berat, karena jika paru-paru dan jantung harus bekerja ekstra sedangkan pasokan oksigen tidak cukup
hingga mencapai kondisi minimum, maka sel-sel otak akan mengalami kerusakan. Gejala yang timbul mulai dari mata berkunang-kunang, yang jika keadaan ini terus berlangsung dapat mengakibatkan kematian.
Jati dan Priyambudi (2009) menyatakan bahwa untuk menjaga kondisi setiap sel dalam tubuh tetap sehat diperlukan pasokan gizi dan oksigen yang dibawa oleh darah dalam jumlah yang cukup. Oleh karena itu debit aliran darah dijaga agar tetap. Tubuh kita secara alami akan melakukan hal itu. Hukum Poiseuille cukup menggambarkan keadaan aliran darah pada tubuh manusia. Kekentalan darah η dapat berubah terutama jika sering mengkonsumsi makanan atau minuman yang manis secara berlebihan. Bila kekentalan darah besar maka tekanan darah akan meningkat. Jika kekentalan darah tidak berubah, demikian juga dengan panjang pembuluh darah l, atau jari-jari pembuluh darah tidak berubah, maka tekanan darah akan berada pada kondisi normal.
BAB III PENUTUP
3.1 Kesimpulan
Dari pemaparan di atas, dapat ditarik beberapa kesimpulan berikut: 1. Sistem peredaran darah manusia melibatkan tiga komponen
radiovaskular yaitu darah, pembuluh darah, dan jantung.
2. Sebagai fluida statis, darah memiliki tekanan hidrostatis yang juga dipengaruhi oleh massa jenis darah, dan sebagai fluida dinamis, darah berada dalam lingkup hukum Bernoulli dan Kontinuitas.
3. Debit aliran darah bergantung pada jari-jari (r) dan panjang pembuluh darah (l), kekentalan darah (η), dan tekanan darah (P), yang semuanya dikaji dengan menggunakan hukum Poiseuille.
4. Jantung melakukam kerja sebesar 1,1 joule saat memompa darah. 5. Spigmomanometer bekerja atas dasar tekanan oleh pembuluh darah
dengan pengukuran tekanan memanfaatkan sifat aliran laminer dan turbulens fluida.
6. Penyakit hipertensi, jantung, dan stroke merupakan penyakit pada sistem radiovaskular yang dapat dijelaskan secara fisis oleh hukum Poiseuille.
3.2 Saran
Pemaparan makalah ini merupakan kajian fisis dari aliran darah manusia yang merupakan bagian dari sistem biologi. Dari makalah ini dapat
didesain sebuah bentuk penelitian fisika terutama pemodelan fisis yang dapat memaparkan sistem fisis aliiran darah lebih lanjut. Kajian sistem lainnya yang berlangsung dalam tubuh, dapat dikembangkan melalui tulisan lain yang dikaji secara fisika, secara khusus dengan ilmu biofisika.
DAFTAR PUSTAKA
Cameron, R.J., Skofronick, J.G., & Grant, R.M., 2006. Fisika Tubuh Manusia. (Terjemahan dr. Brahm U. Pendit). Jakarta: EGC. Docstoc, 2009. Tekanan Darah Tinggi Sistem Renin dan Penghambatan
Renin. Diambil pada tanggal 10 Januari 2010, dari http://www. docstoc.com/docs/20399792/Tekanan-Darah-Tinggi-Sistem-Renin-dan-Penghambatan-Renin/
Gabriel , J.F, 1996, Fisika Kedokteran, Penerbit Buku Kedokteran EGC, Jakarta
Google, 2010, Stethoscope Image. Diambil pada tanggal 10 Januari 2010, dari http://www.google.co.id/imglanding?q=stetoskop
Google, 2010, Spygmomanometer Image. Diambil pada tanggal 10 Januari 2010, dari http://www.google.co.id/imglanding?q=spigmo
Hani, A.R., & Riwidikdo, H., 2008, Fisika Kesehatan, Yogyakarta: Mitra Cendekia Press.
Jati, B.M.E., & Priyambodo, T.K., 2008, Fisika Dasar untuk Mahasiswa Ilmu-ilmu Eksakta dan Teknik, Yogyakarta: ANDI
Kusminarto, 2007, Fisika: Penerapannya dalam Bidang Medis. Pidato Pengukuhan Guru Besar Fisika UGM.
Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI), 2009, Sistem Peredaran Darah. Diambil pada tanggal 10 Januari 2010, dari http://bit_lipi.go.id
Lohat, A.S., 2009. Fluida Statis. Diambil pada tanggal 15 Januari 2010, dari www.gurumuda.com
.
Solomon, N., 2008. Tekanan Darah Tinggi, Penyakit Jantung, dan Stroke. Diambil pada tanggal 30 Januari 2010, dari http://terapistroke. com/tekanan-darah-tinggi-penyakit-jantung-dan-stroke/
Surono, 2000, Tak perlu takut hipertensi, Bonus Intisari Juli 2000.
Tipler. 2001. Fisika Untuk Sains dan Teknik. (Terjemahan Prasetio, L., dan Adi, R.W.). Jakarta: Erlangga.
Weisteinn, E.W., 2009, Bernoulli Principle. Diambil pada tanggal 10 Januari 2010, dari http://scienceworld.wolfram.com/physics/ bimg74.gif)
Widjaja, D., dr., Ph.D., 1994, Hipertensi dan Stroke. Cermin Dunia Kedokteran No. 95, 24-33.
Wijaya, A.M., dr., 2009, Sistem Sirkulasi Darah dalam Tubuh Manusia. Diambil pada tanggal 30 Januari 2010, dari http://infodokterku.com/index.php?option=com_content&view=ar ticle&id=50:sistem-sirkulasi-dalam-tubuh-manusia&catid=36: yang-perlu-anda-ketahui&Itemid=28
Wikipedia, 2009, Fluida Statis. Diambil pada tanggal 15 Januari 2010, dari www.wikipedia.com
