Fisika-musculuskeletal.ppt

Fisika Kesehatan

Manogari. Ssi,MT manog_sianturi@yahoo.com

Fisika Gaya dan Otot Ahli Kedokteran atau dokter spesialis yang

berkaitan dengan gaya adalah 1. Spesialis dalam pengobatan fisik2. Spesialis Ortopedi yaitu kelaianan pada

sistem musculoskeletal 3. Ahli terapi fisik4. Chiropractor5. Spesialis Rehabilitasi6. Orthodontist

Beberapa Efek Gravitasi Pada Tubuh

• Varises pada pembuluh vena pada kaki karena darah dalam vena bergerak melawan gaya gravitasi saat menuju jantung

• Gaya gravitasi pada tubuh dalam berbagai cara berkontribusi pada tulang yang sehat.

• Contoh Ketika seseorang menjadi tak berbobot pada satelit orbit ia mungkin kehilangan sebagian miniral tulang hal ini dapat terjadi pada saat melakukan perjalanan cukup jauh

• Istirahat di tempat tidur dalam jangka panjang menghilangkan banyak gaya berat tubuh dari tulang dan dapat mengakibatkan kerapuhan tulang yang serius.

Gaya Gesekan

• Beberapa penyakit dalam tubuh seperti arthritis mengakibatkan gaya gesek bertambah pada sendi tulang.

• Gesekan berperan penting pada saat seseorang berjalan.

• Apabila terdapat penyakit pada sendi, gesekan dapat menjadi lebih besar.

• Air liur yang dikeluarkan saat saat kita mengunyah makanan berfungsi sebagai pelumas.

Otot dan Klasifikasinya

• Muscle types: – cardiac muscle: composes the heart– smooth muscle: lines hollow (berongga) internal

organs– skeletal (striated or voluntary) muscle: attached to

skeleton via tendon & movement

• Skeletal muscle 40-45% of body weight– > 430 muscles

– ~ 80 pairs produce vigorous movement (pergerakan kuat)

• Dynamic & static work– Dynamic: locomotion & positioning of segments

– Static: maintains body posture

Composition & structure of skeletal muscle

• Structure & organization

• Muscle fiber: long cylindrical multi-nuclei cell 10-100 m

• fiber endomysium fascicles perimysium

• epimysium (fascia)

• Collagen fibers in perimysium & epimysium are continuous

• with those in tendons

• {thin filament [Berbentuk seperti benang tipis](actin 5nm ) + thick

filament (myosin 15 nm )}

myofibrils (contractile elements, 1m ) muscle fiber

• Otot rangka memiliki serat-serat halus dengan pita gelap dan pita terang berselang-seling yang disebut striata sehingga diberi nama otot lurik (striated muscle)

• Bentuk otot yang lain yang tidak memperlihatkan striata disebut otot polos.

• Serat-serat di otot lurik berhubungan dengan tendon dan membentuk serabut otot. Contoh yang jelas adalah otot bisep dan trisep

Gambaran skematis sistem otot yang digunakan untuk menekuk siku.Biceps menekuk siku ke atas, tricep meluruskannya

• Pemeriksaan yang lebih seksama terhadap serat akan memperlihatkan untai yang lebih halus yang disebut miofibril

• Miofibril terdiri atas struktur yang lebih kecil lagi yang disebut filamen

• Filamen tersusun oleh protein-protein seperti gambar berikut

Molecular basis of muscle contraction

• Sliding filament theory: relative movement of actin & myosin filaments yields active sarcomere shortening

• Myosin heads or cross-bridges generate contraction force

• Sliding of actin filaments toward center of sarcomere: decrease in I band and decrease in H zone as Z lines move closer

Figure Plot of single fibre force (Po, in micronewtons) versus fibre cross-sectional area (CSA, in square micrometres) for younger (open circles) and older subjects (open triangles) using

two methods The continuous lines represent a ratio method (specifi...

Krivickas L S et al. Exp Physiol 2011;96:539-547

Motor unit

• Saat kontraksi otot gaya elektrostatik antara pita-pita menyebabkan pita-pita tersebut bergeser satu sama lain sehingga panjang serabut secara keseluruhan berkurang.

• Perlu diketahui bahwa otot menghasilkan gaya hanya pada saat berkontraksi, yaitu saat serabut otot memendek.

The Musculotendinous Unit

Tendon- spring-like elastic component in series with contractile component (proteins)Parallel elastic component (epimysium, perimysium, endomysium, sarcolemma)

PEC: parallel elastic componentCC: contractile componentSEC: series elastic component

Mechanics of Muscle Contraction

• Neural stimulation – impulse• Mechanical response of a motor unit – twitch

• T: twitch or contraction time, time for tension to reach maximum

• F0: constant of a given motor unit

• Averaged T values• Tricep brachii 44.5 ms Soleus 74.0 ms• Biceps brachii 52.0 ms Medial Gastrocnemius 79.0 ms• Tibialis anterior 58.0 ms

T

t

eT

tFtF

0)(

Summation and tetanic contraction

Generation of muscle tetanus

Note: muscle is controlled by frequency modulation from neural input very important in functional electrical stimulation

Wave summation & tetanization

Critical frequency

Force production in muscle

• Force –length characteristics

• Force – velocity characteristics

• Muscle Modeling

• Neuromuscular system dynamics

Quick-release for determining elastic constant of series component

• Muscle is stimulated to build tension

• Release mechanism is activated

• Measure instantaneous shortening x while force is kept constant

• Contractile element length kept constant during quick release

x

FK SC

Hukum Dasar Biomekanika

• Ada 3 hukum dasar biomekanika

• Hukum Newton Pertama

• Disebut hukum inersia Hukum kelembaman suatu benda

• ∑F = 0

• Hukum Newton-2

• ∑F = m.a

Gaya Aksi = - Gaya Reaksi

ReAksi aksiF F

. Hukum Newton-3 Bila suatu benda mendapat suatu gaya aksi, maka pada saat yang bersamaan benda itu memberi gaya reaksi yang besarnya sama dengan gaya aksi tetapi arahnya berlawanan

Gaya Pada Tubuh dan Didalam Tubuh

• Gaya yang bekerja pada tubuh dapat kita ketahui apabila kita menabrak suatu objek atau kita ditabrak oleh benda lain

• Gaya yang ada didalam tubuh kita sering tidak kita ketahui, padahal gaya itu benar-benar ada.Contoh : gaya otot, yang menyebabkan mengalirnya darah dan paru-paru yang memperoleh udara sehingga kita dapat bernapas.Gaya listrik yaitu gaya antara elektron dan proton, gaya inti kuat yang dihasilkan oleh proton, dan gaya inti lemah yang dihasilkan oleh elektron dari inti atom

Jika ditinjau dari segi statis dan dinamisnya tubuh manusia, maka gaya yang bekerja pada tubuh dibagi dalam 2 tipe :

1. Gaya pada tubuh dalam keadaan statis

2. Gaya pada tubuh dalam keadaan dinamis

1. Gaya pada tubuh manusia dalam keadaan statis

• Tubuh dalam keadaan stasioner berarti tubuh dalam keadaan seimbang, artinya jumlah gaya dan momen gaya dalam segala arah sama dengan nol.

• Sistem otot dan tulang dari tubuh manusia bekerja sebagai pengumpil.

• Ada 3 macam sistem pengumpil yang bekerja dalam tubuh manusia

1. Kelas pertama sistem Pengumpil

• Titik tumpuan terletak diantara gaya berat dan gaya otot

2. Kelas Kedua sistem pengumpil

• Gaya berat diantara titik tumpuan dan gaya otot

3. Kelas ketiga sistem pengumpil

• Gaya otot terletak diantara titik tumpuan dan gaya berat

Gaya berat diantara titik tumpu dan gaya otot.

W

M

Dari ketiga sistem pengumpil diatas yang

paling banyak adalah kelas ketiga

Tarikan otot Deltoidus

Dari gbr diatas Tarikan otot Deltoidus

• T = (2W1 +4 W2)/sin

Analisa gaya Dan Kegunaan klinik

Gaya yang bekerja pada tubuh dapat berupa :

1. Gaya vertikal

2. Gaya membentuk sudut

3. Gaya horizontal

1. Gaya vertikal

2. Gaya membentuk sudut

3. Gaya horizontal

Penggunaan Klinik

Traksi leher

w

Arah tarikkatrol

Arah tarikotot

Traksi Tulang Traksi Tulang

w

Berat pemberat 1/7 kali BB

Pada sistem traksi tulang

Berat beban yang digantung pada sisitem traksi tulang adalah

W = 1/7x BB

BB = Berat Badan Pasien

Traksi Kulit

w

Berat pemberat 1/10 kali BB hanya untuk anak-anak dibawah 12 tahun

Stabilitas Saat Berdiri

• Pada manusia tegak yang dilihat dari belakang, pusat gravitasi (cg) berlokasi pada pelvis didepan bagian atas depan sacrum sekitar 58% dari tinggi seseorang dari tanah.

• Kontrol otot yang buruk, kecelakaan, penyakit, kehamilan, kelebihan berat atau postur yang buruk akan merubah posisi cg seperti gambar berikut

Gambar (a) letak cg normal sekitar 58% tinggi seseorangdiatas dasar kakinya (b) suatu kondisi kelebihan berat dapat mengubah cg kedepan sehingga proyeksi vertikalnya lewat dibawah pusat kaki, menyebabkan tubuh berkompensasi dengan membentuk posisi tidak normal yang mengarah kemungkinan ketegangan otot.

Mengangkat dan Berjongkok

• Bagian tubuh yang sering tersiksa adalah daerah lumbar (punggung bawah) yang ditunjukkan seperti gambar berikut

• Lumbar vertebrae ditujukan untuk gaya yang sangat besar, hal tersebut terlihat dari beban tubuh dan juga gaya yang anda tunjukkan pada daerah lumbar saat anda mengangkat beban.

• Ketika tubuh membunkuk kedepan sekitar 60o dari posisi vertikal dan terdapat beban 225N di tangan maka gaya kompresif R dapat mencapai 3800 N (~ 6 x BB)

Gambar (a) mengangkat beban dengan skema gaya yang digunakan (b) Gaya dimana T adalah rata-rata untuk seluruh otot dan R adalah resultan gaya pada lumbar vertembra kelima ,L5

Mengangkat Beban

• Tidak menherankan bahwa mengangkat beban yang berat dengan tidak benar merupakan penyebab utama sakit punggung bagian bawah

FUNGSI TULANG

• Pendukung

• Penggerak

• Pelindung berbagai organ

• Penyimpan zat-zat kimia

• Cadangan makanan

• Pengirim suara (telinga tengah)

Tabel. Komposisi dari tulang keras

No Elemen Tulang keras, tulang paha (%)

1 H 3,4

2 C 15,5

3 N 4,0

4 O 44,0

5 Mg 0,2

6 P 10,2

7 S 0,3

8 Ca 22,2

9 Campuran 0,2

Diadaptasi dari dari H.Q Woodrad, Health Physics, 8, 516 (1962)

Soal latihan1. Tuliskanlah rumus dimensi dari energi (kalor atau panas)2. Seseorang yang sedang joging melakukan gerak jinjit pada salah

satu telapak kakinya. Jika panjang telapak kakinya 40 cm dan jarak pusat massa dari ujung jarinya 10 cm tentukanlah tarikan musculus gastrocnemous untuk orang yang beratnya 800N

3. Seseorang sedang latihan fitnes menahan berat beban ditangannya dengan massa 10 kg dan massa tangannya 2 kg. Jika panjang tangan orang tersebut 30 cm dan jarak berat tangan dengan humerus 14 cm tentukanlah besar tarikan otot bisep untuk menahan beban tersebut jika jarak otot bisep dengan penopang 4 cm untuk posisi tangan horizontal.

4. Seseorang merentangkan tangannya yang panjangnya 80 cm dan massa lenggannya 5 kg digunakan untuk menahan beban 10 kg jika pusat massa lengannya ditengah lengan dan sudut yang dibentuk otot deltoideus dengan ulna 30o dan jaraknya terhadap penopang ( R ) 20 cm tentukanlah besar tarikan otot deltoideus

5. Seseorang yang sedang fraktur pada bagian kakinya dilakukan terapi dengan sistem traksi tulang, jika berat orang tersebut 630 N tentukanlah massa beban yang dapat digantung untuk maksud tersebut g = 10 m/s2