PF-1
PEMBELAJARAN DENGAN METODE EKSPERIMEN TOPIK RANGKAIAN RC
UNTUK MENGANALOGIKAN SISTEM PERANAFASAN PADA BIDANG FISIKA
KESEHATAN
Made Rai Suci Shanti Nurani Ayub[1,*], Adita Sutresno[1] Program Studi Fisika dan Program Studi Pendidikan Fisika[1]
Fakultas Sains dan Matematika – Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga Jl. Diponegoro 52-60 Salatiga 50711, Indonesia
Email : made.ray@staff.uksw.edu[*]
Abstrak
Pembelajaran dengan metode eksperimen merupakan pembelajaran yang dapat digunakan untuk menyampaikan pemahaman konsep Fisika yang lebih cenderung bersifat abstrak dan tidak menarik. Pembelajaran ini bersifat menarik dan membangun pemahaman konsep sendiri. Sistem respirasi atau pernafasan yang merupakan sistem pertukaran udara pada tubuh manusia dapat dijelaskan dari pemahaman konsep tentang teori rangkaian RC, terutama proses pengisian dan pengosongan kapasitor. Pertukaran udara yang masuk dan keluar dalam tubuh manusia dianggap sebagi aliran udara yang laminar. Udara dapat mengalir disebabkan karna perbedaan tekanan pada mulut dan paru-paru, perbedaan tekanan ini dapat dianalogikan seperti perbedaan potensial listrik dua buah titik. Sehingga muncul aliran udara yang dinyatakan dengan persamaan gaya tiap waktu ( ) persamaan ini identik dengan aliran arus listrik pada rangkaian RC. Dan persamaan volume paru-paru tiap waktu ( ) ( ⁄ ) , identik dengan persamaan muatan
kapasitor. Dengan mengukur konstanta waktu ( = RC) kita dapat menentukan besar resistansi aliran udara pada tubuh.
Kata kunci: metode eksperimen, analogi paru-paru PENDAHULUAN
Menurut kamus bahasa Yunani, Fisika adalah physikos yang artinya, "alamiah", dari kata dasar physis yang artinya menunjuk alam. Hal ini berarti bahwa ilmu fisika adalah ilmu sains atau ilmu tentang alam dalam arti yang luas. [1] Dengan mempelajari Fisika berarti mempelajari segala sesuatu tentang alam, yang meliputi ruang dan waktu mulai dengan mempelajari sifat dan perilaku materi atau alam. Hal tersebut membuat Fisika mampu berkolaborasi dengan ilmu-ilmu yang lain. Salah satunya adalah dengan ilmu kesehatan. Fisika mampu menjelaskan perilaku materi dalam bidang kesehatan, materi yang dimaksudkan adalah organ-organ tubuh manusia. Salah satunya organ yang akan dibahas disini adalah paru-paru dalam fungsinya sebagai sistem respirasi atau sistem pernafasan.
Bagi banyak orang system pernafasan akan diamati sebagai sistem sirkulasi udara dalam tubuh manusia. Dengan pemahaman konsep Fisika keluar masuknya udara dalam paru-paru karena sitem mekanika dari paru-paru. Sedangkan aliran udara dari dan keluar tubuh manusia sebagai aliran hydrodinamis. Berpijak dari dua hal inilah maka diangkatlah penganologian rangkaian RC untuk membantu menyederhanakan pemahaman sistem pernafasan. Selain itu pula ilmu fisika yang dikenal dengan banyak rumus dan perhitungan yang sulit akan menjadi lebih menarik jika diaplikasikan dengan kehidupan sehari-hari. Penganalogian pemahaman ini akan semakin menarik jika disertai dengan proses pembelajaran yang menarik pula. Metode pembelajaran dengan eksperimen adalah salah
PF-2
satu proses pembelajaran yang dapat digunakan karena metode ini lebih menarik dan mahasiswa dapat membentuk konsep sendiri dengan benar.
ANALOGI PARU-PARU
Proses pernafasan dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu proses menarik napas ( inspirasi) saat O2 diambil dari luar tubuh dan proses saat menarik napas ( ekspirasi) saat CO2 dilepaskan dari tubuh. Besarnya tekanan saat proses inspirasi dan ekspirasi sangat tergantung dengan volume dari paru-paru. Pada bagian ini akan dijelaskan penganalogian sistem pernafasan pada rangkaian RC.
Perbedaan tekanan antara dua titik pengamatan pada system pernafasan dianalogikan sebagai besar beda potensial diantara dua titik. Sementara aliran udara pada pernafasan dianalogikan sebagai arus listrik[2].
Keelastisan paru-paru karena kepenuhan volume paru selalu diikuti oleh perubahan tekanan pada paru. Hal ini didefinisikan sebagai fleksibilitas paru atau dinyatakan sebagai kapasitas pemenuhan udara yang dinyatakan dalam symbol (C ) yang besar nya adalah ,
( ) (1) Dimana perubahan volume pada paru, dan tekanan pada paru. Kapasitas pemenuhan udara
dalam paru ini sangat mirip dengan Kapasitansi Kapasitor yang sangat tergantung dengan besar potensial listrik dan muatan . Atau yang sering dinyatakan dalam,
(2)
Dimana C disini adalah kapasitansi kapasitor yang merupakan kemampuan kapasitor menyimpan muatan , dan V adalah potensial listrik sedangkan, q adalah muatan listrik. Besar kapasitan kapasitor sangat tergantung dengan bahan dan bentuk kapasitor. Hal inipun sama dengan Capasitansi pemenuhan udara pada paru yang tergantung dengan struktur bentuk paru dan tulang dada.
Besarnya aliran udara pada system pernafasan sebanding dengan perubahan volume tiap waktu atau dinyatakan sebagai,
F =dV/dt (3)
Aliran udara yang dianalogikan sebagai arus listrik didekati pada aliran udara yang laminar. Sehingga persamaan aliran udara yang sesuai dengan hukum Hagen Poiseuille [3] adalah,
(4) R dinyatakan sebagai resistansi pernafasan. Dimana R sebagai resitansi aliran udara yang sangat tergantung dengan viskositas ( ), panjang pipa (L) dan jari-jari pipa (r). Besar resistansi dinyatakan sbb,
( 5) Dengan melihat kembali persamaan (4) maka didapatkan bahwa variable , atau dapat dikatakan bahwa perbedaan tekanan sama dengan potensial. Sehingga besar aliran udara akan sama dengan besar arus listrik ( F I) , dimana I adalah arus listrik. Maka persamaan (4) identik dengan hukum OHM ,
PF-3
Dari pemahanan persamaan (4) dan (6), jika dianalogikan sistem pernafasan dapat digambarkan seperti gambar 1 sbb,
Dimana Pmouth adalah tekanan di mulut dan Plung adalah tekanan di paru-paru, R adalah resistansi pada sisitem pernafasan dan C adalah kapasitans paru-paru. Dari pendekatan rangkaian seperti gambar 1 dapat dibuat sebuah gambar rangkaian lengkap seperti gambar 2, dimana perbedaan tekanan antar mulut dan paru-paru sama dengan beda potensial di dua titik ( ) yang diseri dengan R dan C.
Dengan mensubtitusikan persamaan (1) dan (4) didapatkanlah bahwa,
(7)
Untuk mendapatkan nilai maksimum dari aliran, maka persamaan (7) dideferensialkan menjadi,
( ) ( )
Deangan menanggap bahwa nilai kecil saat ekspirasi maka didapatkan persamaan menjadi,
( )
Persamaan tersebut dapat diselesaikan dengan penyelesaian ODE 1, sehingga didapatkan hasil,
Gambar 2. Rangakaian RC S
-
+
P Mouth Plung R P C PlungPF-4
( ) e^((-1)/RC)= ⁄ (8) Dan,
( ) ( ⁄ ) (9)
Jika diamati pada persamaan (8) persamaan aliran udara tersebut mirip dengan persamaan pengosongan arus kapasitor ⁄ , Dan persamaan (9) persamaan perubahan volume paru
mirip dengan persamaan muatan pada pengosongan rangkaian kapasitor, q( ) ( ⁄ ) .
METODE EKSPERIMEN
Pembelajaran dengan menggunakan metode eksperimen akan meliputi beberapa tahapan yaitu: Pada tahap awal dilakukan terlebih dahulu penjelasan awal yang bertujuan memberi gambaran kepada mahasiswa tentang apa yang akan dilakukan. Adapun tujuan eksperimen ini adalah untuk mengamati bagaimana aliran udara dalam sistem pernafasan manusia dengan menggunakan rangkaian RC. Dimana ada pendekatan awal terlebih dahulu yang harus ditaati yaitu pengamatan kita saat ini adalah untuk system aliran udara yang laminar. pada tubuh . Aliran udara dalam tubuh akan terjadi ketika ada perbedan tekanan, perbedaan tekanan antara dua titik pengamatan yang berbeda pada tubuh dianalogikan sebagai besar beda potensial diantara dua titik. Sementara udara yang mengalir karena perbedaan tekanan tersebut dianalogikan sebagai arus listrik yang mengalir karena ada perbedaan potensial pada dua buah titik pengamatan. Pertanyaan yang kemudian diajukan kepada mahasisiwa untuk memotivasi adalah bagaimana gambaran aliran udara tersebut saat proses tarik nafas dan melepaskan nafas? Jika dianggap bahwa Capasitans paru-paru (C) saat menampung udara baik mengembang dan mengempis sangat tergantung dengan perubahan volume udara (V) dan besar perbedaan tekanan pada dua tempat (P). Hal ini sama dengan pengertian kapasitansi kapasitor (C) yang besar , yang artinya besar kemampuan kapasitor menyimpan muatan tergantung dengan besar perbedaan potensial pada dua buah plat dan banyaknya muatan. Sementara struktur tengggorokan, rongga mulut dan rongga paru-paru akan membentuk nilai resistansi tersendiri pada aliran udara yang kita sebut sebagai R.Sehingga dapat dianalogikan bahwa aliran udara pada sistem pernafasan kita sama dengan aliran listrik yang mengalir pada sebuah rangkaian kapasitor yang seri dengan hambatan seperti pada gambar (1).
Tahapan berikutnya adalah pengamatan, Mahasiswa diminta melakukan percobaan dengan merangkai rangkaian RC seperti pada gambar (3).
Gambar 3. Rangkaian RC saat eksperimen A posisi1 Posisi 2 s lampu 6 V 22 F V
PF-5
Langkah pengamatan dan pengambilan data dilakukan dengan mengganti-ganti posisi saklar, mula-mula dari posisi 2 kemudian mahasiswa diminta mengamati gerak pada alat ukur,kemudian memindahkan lagi saklar paada posisi 1 dan mengamati lagi. Saat arus dan tegangan berhenti memuati kapasitor posisi saklar diubah kembaali ke posisi 2 kembali. Kemudian mahasiswa diminta menggambarkan grafik arus (i) vs waktu (t), dan tegangan (V) terhadap waktu (s).
Tahap berikutnya adalah tahap menyusun hipotesa, mahasiswa diminta menyusun hipotesa sementara tentang aliran udara dari hasil pengamatan percobaan mereka.kebanyakan mahasisiwa menjawab bahwa grafik v vs t yang mereka dapatkan sama dengan fungsi grafik untuk muatan . Karena besar potensial ⁄ , sehingga besar muatan mengikti perubahan potensial. Dan grafik arus (I) vs t akan mempunyai fungsi kebaikan eksponensial karena ⁄ . Dan karena arus listrik dianalogikan sebagai aliran udara maka mahasiswa mulai dapat memahami bagaimana gambaran grafik aliran udara pada pernafasan manusia.
Pada tahapan selanjutnya setelah melakukan hipotesa mahasiswa diminta melakukan analisa dari hasil percobaan mereka dengan menghitung konstanta waktu dari grafik I (t) untuk pengisian kapasitor dengan menentukan posisi 37% dari data yang didapatkan.. Dan konstanta waktu untuk pengisian kapasitor pada v(t) pada 63% . Dengan mencatat besar tegangan dan arus pada proses pengisian dan engososngan kapasitor kita dapatkan t saat waktu pengososngan dan pengisian. Dengan menghitung besar R dari nilai konstanta waktu ( ) kita dapatkan bahwa nilai R lampu sebagai nilai resistansi dari aliran udara dalam sisitem pernafasan .
Dari hasil pengamatan akan didapatkan grafik arus dan tegangan yang dapat digambarkan sbb;
Gambar 4 grafik V vs t
PF-6
Di bagian akhir mahasiswa diminta menyimpulan hasil perhitungan R mereka dengan nilai R lampu yang terpasang. Dimana nilai R mewakili resistansi aliran udara dan C mewakili kapastiansi paru-paru menyimpan udara.
KESIMPULAN
Dari penelitian ini didapatkan bahwa, analogi rangkaian RC dapat digunakan untuk pembelajaran dalam menenjelaskan sistem pernafasan. Dan mahasiswa cenderung lebih antusias dalam mengerjakan eksperimen karena berhubungan dengan kehidupan sehari-hari. Dari hasil eksperemn kita dapatkan bahwa dengan menghitung konstata waktu ( ) dari rangkaian RC kita bisa menghitung besar resisitansi lampu yang identik dengan resisitansi aliran udara yang disebabkan kerena struktur saluran pernafasan yang berbeda-beda untuk tiap orang.
DAFTAR PUSTAKA
1. Made Rai Suci Shanti, Pendekatan Rangkaian RC Untuk Pembelajaran Sistem Pernafasan Bagi Mahasiswa Ilmu Kesehatan, Prosiding Seminar Nasional Sains Dan Pendidikan Sains VI, 2011 2. Paul Daviddovits, Physics in Biology and Medicine, Academic Perss, 2008
3. David Halliday, Robert Resnick, Fisika , Penerbit PT Erlangga, 1997 4. Hyatt, Rangkaian Listrik, PT Erlangga
5. R. Margunadi, Dasar-Dasar Teori Rangkaian, PenerbitErlangga 6. Dr. J. F. Gabriel, Fisika Kedokteran, Penerbit buku kedokteran ECG
7. Made Rai Suci Shanti, Penggunaan Strategi POE ( Prediction Observation Explanation) Untuk Meningkatkn Pemahaman Konsep Mahasiswa Ditinjau Dari Kreativitas Dan Kemampuan Intelektual , 2010
