Upload
others
View
19
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
MAKALAH
SIFAT FISIS ALIRAN DARAH MANUSIA
OLEH :Dwiria Wahyuni, S.Si
JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS TANJUNGPURAPONTIANAK
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.SiNIP. 197409212003121004 NIP. 198206082008122001
Mengetahui,Dekan FMIPA UNTAN
Prof. Dr. Thamrin Usman, DEA NIP. 196211101988111001
ii
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
Penulis
iii
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
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................... 30
1
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
2
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
3
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
4
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.
5
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.
6
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
7
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
(2.1)
8
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
5 Bensin 0,68 x 103
9
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
FP (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
ghP (2.3)
Pada tekanan atmosfir P0, fluida pada kedalaman h akan mengalami
tekanan P sebesar
ghPP 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
10
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
ghPPh 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.
11
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-
12
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 CO2 dari 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.
13
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
14
konstan221 vghP (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 AvQ (2.7)
Persamaan 2.7 merupakan persamaan kontinuitas fluida. Pada
aliran darah manusia dapat dimanfaatkan untuk mengetahui laju aliran
15
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
vAF (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
16
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.
17
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/tabungv1 = laju aliran fluida yang berada di tengah/sumbu tabungv2 = laju aliran fluida yang berjarak r2 dari pinggir tabungv3 = laju aliran fluida yang berjarak r3 dari pinggir tabungv4 = laju aliran fluida yang berjarak r4 dari pinggir tabungr = jarak
18
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
(2.9)
19
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 jarum suntik atau 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
20
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
21
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
22
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
2211 hhP 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
dari raksa.
23
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
24
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
25
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.
26
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
27
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.
28
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
29
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.
30
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.
31
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=article&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