BIOFLUIDA

Fluida adalah zat yang dapat mengalir termasuk didalamnya zat

cair dan gas

Ilmu yang mempelajari tentang fluida yang diam / tidak bergerak

dikenal dengan “ Hidrostatika “

Ilmu yang mempelajari tentang fluida yang bergerak dikenal dengan

“ Hidrodinamika “

Perbedaan Zat Cair dengan Gas

ZAT CAIR GAS

Molekul-molekulnya terikat

secara longgar namun tetap

berdekatan

Tekanan terjadi oleh karena

adanya gaya gravitasi bumi

yang bekerja terhadapnya

Tekanan yang terjadi secara

tegak lurus pada bidang

Tidak mudah dimampatkan

molekul bergerak bebas dan

saling bertumbukkan

Tekanan gas bersumber

pada perubahan momentum

yang disebabkan tumbukan

molekul gas pada dinding

Tekanan yang terjadi tidak

tegak lurus pada bidang

Mudah dimampatkan

I. HIDROSTATIKA (FLUIDA DIAM)

Massa jenis () suatu benda didefinisikan sebagai massa benda

setiap satuan volume

Dengan = massa jenis (kg/m3)

m = massa benda (kg)

v = volume benda (m3)

Massa Jenis ( density)

Bahan Rapat Massa (g

cm-3)

Bahan Rapat Massa (g

cm-3)

Air

Es

Etil alkohol

Gliserin

Raksa

1,00

0,92

0,81

1,26

13,6

emas

kuningan

perak

platina

baja

19,3

8,6

10,5

21,4

7,8

Tekanan (P) adalah besarnya gaya tekan per satuan luas

permukaan yang ditekannya secara tegak lurus

Dengan p = tekanan (N/m2)

F = gaya tekan (N)

A =luas permukaan (m2)

Tekanan Hidrostatis (Ph) adalah tekanan pada suatu titik di

kedalaman h (diukur dari permukaan fluida) akibat gaya berat fluida

itu sendiri.

Dengan Ph = Tekanan Hidrostatik (Pa)

= massa jenis fluida (kg/m3)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

h = kedalaman (m)

Tekanan dalam fluida pada suatu kedalaman h adalah tekanan

udara luar di permukaan (tekanan atmosfer (Po)) ditambah

tekanan Hidrostatisnya

= P

Hukum Pascal: tekanan yang dikerjakan pada fluida dalam bejana

tertutup diteruskan tanpa berkurang ke semua bagian fluida

dengan F0 = gaya pada bejana 1

A0 = Luas penampang 1

F1 = gaya pada bejana 2

A1 = Luas penampang 2

Hukum Archimedes : “Jika sebuah benda dicelupkan sebagian

atau seluruhnya ke dalam suatu fluida maka akan mengalami gaya

ke atas yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan”

Dimana Fa = gaya ke atas (N)

f = massa jenis fluida (kg/m3)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

Vb = volume benda yang tercelup

dalam fluida (m3)

FLUIDA DINAMIKA (FLUIDA BERGERAK)

Sifat-sifat fluida ideal berdasarkan prinsip Bernoulli :

Fluida mengalir tanpa ada gesekan dalam (tidak mempunyai

viskositas)

Fluida mengalir secara stationer dalam hal kecepatan, arah

maupun besarnya

Fluida mengalir tidak termampatkan melalui sebuah pembuluh

(volumenya tidak berubah karena tekanan)

Fluida mengalir secara Streamline, artinya garis alirannya

membentuk kurva yang tetap berkesinambungan.

Gambar penampang berdasarkan hukum Bernoulli

Keterangan A1 ; A2 = penampang tekanan P1 ; P2 = tekanan H l ; H2 = tinggi I1 ; I2 = panjang V1 ; V2 = kecepatan

Jika zat cair bergerak pada sebuah tabung dimana luas

penampang kedua ujung tabung tersebut berbeda (A1 & A2) maka

debit air (Q) yang mengalir pada kedua ujung tabung akan sama

Q1 = Q2

Dimana:Q1 & Q2 = debit air di kedua ujung pipa (m3/s)

A1 & A2 = luas penampang pada kedua ujung pipa (m2)

V1 & V2 = kecepatan zat cair pada kedua ujung pipa (m/s)

Persamaan Bernoulli

Dalam suatu aliran fluida hukum kekekalan energi juga harus

berlaku. Hukum kekekalan energi dalam fluida dapat dijabarkan

oleh Bernoulli sebagai:

Atau

Aliran Zat Cair Melalui Pembuluh

Bentuk aliran zat cair dalam pembuluh dapat digambarkan sebagai

berikut:

Makin ketengah kecepatan alir makin besar karena hambatan di

bagian tengah pembuluh relatif lebih kecil, kecepatan alirnya

berbentuk parabola.

Persamaan Poiseuille.

Apabila volume zat cair yang mengalir melalui penampangnya tiap

detiknya disebut debit (Qt), maka menurut Poiseuille volume zat cair

yang mengalir akan sama dengan tekanan zat cair dibagi dengan

hambatan alirnya

Dimana Q = jumlah zat cair yang mengalir perdetik (flow rate)

η = viskousitas. Satuan pascal

untuk air : 10-3 pas pada 20oC

darah : 3 – 4 x 10-3 pas tergantung kepada

prosentase darah merah dalam darah (hematokrit).

r = jari-jari pembuluh (meter)

L = panjang (meter)

P1 , P2 = tekanan

Hukum Poiseuille juga menyatakan bahwa cairan yang mengalir

melalui suatu pembuluh akan berbanding langsung dengan

penurunan tekanan disepanjang pipa dan pangkat empat jari-jari

pipa.

Jadi rumus di atas dapat dinyatakan :

Flow rate = Pressure atau Volume (detik) = Tekanan Resistance Tahanan

Hukum Poiseuille sangat berguna untuk menjelaskan mengapa

pada penderita usia lanjut mengalami pingsan (akibat tekanan

darah meningkat)

Dari persamaan diatas dapat diketahui bahwa ada 4 faktor yang

mempengaruhi laju alir zat cair pada pembuluh, yaitu:

1. Panjang pembuluh

2. Diameter pembuluh

3. Viskositas / kekentalan zat cair

4. Tekanan

Satuan Kekentalan

Satuan kekentalan menurut SI adalah Poiseuille disingkat dengan

P1. Hubungan P1 dengan satuan lain adalah sebagai berikut :

1 P I = 10 poise = N.Sec = Pa.S m 2

1 poise (P) = dyne detik = Massa (Kg) cm2 Panjang (m) x Waktu2 (S2)

Laju Endapan dan Gaya Apung (Buoyansi)

Apabila ada dua buah benda yang memiliki massa yang sama

dimasukkan ke dalam tabung yang berisi dua jenis cairan, maka

waktu yang dibutuhkan oleh kedua benda tersebut untuk mencapai

dasar tabung akan berbeda. Hal ini disebabkan oleh massa jenis

kedua cairan yang berbeda.

Gaya jatuh =

Dimana: = massa jenis benda (kg/m3)

r = jari-jari benda (m)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

Benda yang jatuh dalam zat cair akan mendapat gaya keatas yang

besarnya:

Gaya keatas =

Dimana: 0 = massa jenis zat cair (kg/m3)

Menurut Stokes sebuah benda yang yang jatuh dalam zat cair akan

mendapat gaya hambatan yang besarnya:

Dimana: v = kecepatan jatuh benda (m/s)

r = jari-jari benda (m)

= viskositas (poise)

Sehingga besarnya gaya hambatan adalah sama dengan selisih

antara gaya jatuh dengan gaya ke atas

Ghambatan = G - Gatas

Maka didapat besarnya laju endapan dalam sebuah zat cair

adalah:

Penentuan kecepatan sedimentasi ini sangat penting oleh karena

pada beberapa penyakit seperti rheumatic, rheumatic fever,

rheumatic heart disease dan gout sangat dipengaruhi kecepatan

mengendap sel darah merah.

Sel darah merah cenderung berkumpul/bergerombol bersama

yang mengakibatkan jari-jari efektif meningkat sehingga pada

waktu pengetesan kecepatan sedimentasi akan tampak

meningkat.

Menentukan kecepatan sedimentasi ini di klinik atau di rumah-

rumah sakit dikenal dengan nama BBS (= Bloed Bezinking

Snellheid), BSR (= Basal Sedimentasi Rate), LED (Laju

Endapan Darah) atau KPD ( Kecepatan Pengendapan Darah).

Aliran Laminer dan Turbulensi

Biasanya aliran darah di dalam tubuh mengalir secara laminer tetapi

ada beberapa tempat dimana darah mengalir secara turbulensi

seperti di valvula jantung (katup jantung).

Secara teoritis, aliran laminer bisa diubah menjadi aliran turbulensi

apabila tabung/pembuluh secara berangsur-angsur diciutkan jari-

jarinya dan kecepatan aliran secara bertahap ditingkatkan sehingga

mencapai kecepatan kritis (Vc).

Menurut Osborne Reynold kecepatan kritis (Vc) berbanding lurus

dengan viskositas () dan berbanding terbalik dengan massa jenis

zat cair () dan jari-jari tabung /pembuluh (r).

Dimana: K = konstanta Reynolds

1.000 untuk air, 2.000 untuk darah

Aplikasi dalam kedokteran : untuk memperoleh informasi tentang

keadaan jantung dengan menggunakan sphygmomanometer (alat

pengukur tekanan darah) dimana kita menggunakan pressure cuff

untuk membuat aliran darah menjadi turbulensi yang akan

menghasilkan fibrasi sehingga bunyi jantung dapat didengar

dengan menggunakan stetoskop

Bunyi Jantung

Suara jantung dapat didengar melalui stetoskop oleh karena ada

vibrasi pada jantung dan pembuluh darah besar. Biasanya buka

tutupnya valvula/katub jantung akan terdengar suara, demikian

pula dapat didengar aliran turbulensi pada saat-saat tertentu.

Pada saat mula-mula terjadi kontraksi jantung dan valvula

membuka saat itu pula tekanan ventrikel dan tekanan aorta

meningkat, bersamaan dengan itu terdengar bunyi suara

jantung pertama dan saat tertutupnya valvula aorta terdengar

bunyi jantung kedua.

Tekanan Darah

Dalam mempelajari sirkulasi/aliran darah, kita bertolak dari

hukum Poiseuille tentang hubungan antara tekanan, kekuatan

aliran dan tahanan (tahanan Poiseuille) yang berlaku dalam

susunan pembuluh darah.

Jumlah darah pada orang dewasa 4,5 liter. Setiap kontraksi

jantung akan memompa 80 ml darah setiap satu menit dan sel

darah merah telah beredar komplit satu siklus dalam tubuh

Pada setiap saat 80% darah berada dalam sirkulasi sistemik

20% dalam sistem sirkulasi paru-paru. Darah dalam sirkulasi

sistemik ini ± 20% berada di arteri, 10% dalam kapiler dan 70% di

dalam vena. Pada sirkulasi paru-paru 7% berada di dalam kapiler

paru-paru sedangkan 93% berada antara arteri paru-paru dan

pembuluh vena paru-paru.

2. GAS

Udara merupakan Gas yang termasuk zat alir/fluida

Komponen udara terdiri dari N2, O2, H2O dsb

Udara yang dihirup pada waktu inspirasi terdiri dari : sekitar 80 %

N2, 20 % O2, dan 0,04 % CO2 (kadar ini dapat diabaikan)

Udara yang dikeluarkan lewat pernapasan pada waktu ekspirasi

terdiri dari : sekitar 80 % N2, 16 % O2, dan 4 % CO2

Mekanika paru-paru

Paru-paru merupakan komponen utama pernapasan yang diselimuti

selaput yang disebut pleura viseralis yang tumbuh menjadi satu

dengan jaringan paru-paru. Di luar pleura viseralis terdapat selaput

pleura parietalis. Ruang antara viseralis dan parietalis disebut

ruang intrapleural berisi cairan yang tipis.

Saat menarik nafas, ruang dada berkembang dan ikut berkembang

pula pleura viseralis dan pleura parietalis, sedangkan tekanan

dalam ruangan intrapleural akan mengalami penurunan

Hukum-Hukum yang Berlaku Dalam Pernapasan

A. Hukum Dalton

Jika suatu campuran terdiri dari beberapa gas dimana masing-

masing gas akan memberikan kontibusi terhadap tekanan

parsialnya seakan-akan gas itu berdiri sendiri.

Misalnya dalam suatu ruangan terdapat udara dengan tekanan 1

atm (760 mm Hg), jika kita ingin memindahkan seluruh molekul

diruang tersebut kecuali O2 maka besarnya tekanan O2 dalam udara

dengan kandungan 20 % adalah 152 mm Hg, demikian pula N2

dengan kandungan 80 % tekanan parsialnya adalah 610 mm Hg.

Pada uap air tekanan parsialnya sangat tergantung pada

kelembaban

Contoh : udara didalam ruangan mempunyai tekanan parsial 15 –

20 mm Hg Sedangkan didalam paru-paru memiliki tekanan 47 mm

Hg pada temperatur 37 0C dengan 100 % kelembaban

Tabel % dan tekanan parsial O2 dan CO2 pada inspirasi, alveolus dan

ekspirasi

% O2 P O2 %

CO2

P CO2 (mm Hg)

Udara inspirasi

Alveoli paru-

paru

Udara ekspirasi

20

14

16

152

106

121

0,04

5,6

4

0,3

42

30

Hukum Boyle

Pada gas ideal, apabila terjadi peningkatan volume akan diikuti dengan

penurunan tekanannya P – V = konstan

Pada saat inspirasi volume paru-paru, flow rate (debit) akan

meningkat, sedangkan tekanan di intrapleural mengalami

penurunan

Pada waktu ekspirasi terjadi peningkatan tekanan di intrapleural

sedangkan volume, flow ratenya menurun.

Hukum Laplace

Tekanan pada gelembung alveoli berbanding terbalik terhadap radius

dan berbanding lurus terhadap tegangan permukaan

P = 4 dimana : P = tekanan R

R = jari-jari

= tegangan permukaan

3. Pengaruh Ketinggian Terhadap Tekanan Barometrik

Pada kondisi tertentu seperti pada ketinggian atau kedalaman dibawah

permukaan laut membuat tekanan barometrik menjadi tidak ideal bagi

manusia

Efek Tekanan Barometrik Terhadap Udara

Pada suatu ketinggian di atas permukaan air laut maka tekanan

barometrik akan menurun. Penurunan tekanan barometrik juga diikuti

dengan penurunan tekanan parsial O2, N2, CO2 dan H2O dalam udara

Tabel efek penurunan tekanan atmosfir terhadap tekanan parsial O2

dalam udara dan dalam pernapasan

Ketinggian (feet)

Tekanan Barometrik (mm Hg)

Tekanan O2

Dalam UdaraUdara Pernapasan

Tekanan Parsial O2

pada alveoli (mm Hg)

Satuan O2

Dalam Darah %

0

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

760

523

349

226

141

87

152

105

70

45

28

17

104

67

40

21

8

1

97

90

70

20

5

1