- Judul Mata Kuliah : Biomedik 1 - Aliran Fluida

- Area Kompetensi : 5. Landasan Ilmiah Ilmu Kedokteran

- Kompetensi Dasar :

- Indikator :

- Level kompetensi : 4A

- Alokasi waktu : 2 x 50 menit

- TIU : Mahasiswa memahami prinsip-prinsip dasar fluida dan alirannya

dalam kaitannya dengan fisiologi kedokteran

- TIK :

Mahasiswa mengetahui definisi fluida dan menyebutkan beragam fluida dalam

tubuh manusia

Mahasiswa memahami konsep konsentrasi, lokasi, pertukaran, aliran, dan

kesetimbangan fluida tubuh

Mahasiswa memahami prinsip dasar aliran fluida sesuai Hukum Ohm dan Hukum

Poiseuille

Mahasiswa mengetahui definisi Angka Reynold dan memahami kaitannya dengan

hukum-hukum dasar aliran fluida

Mahasiswa mengetahui definisi dan perbedaan kedua jenis tahanan pada aliran

fluida dan memahami aplikasinya pada pembuluh darah manusia

Mahasiswa memahami prinsip volume gas di alveoli sesuai Hukum Laplace dan

memahami pengaruh surfaktan pada alveoli.

Mahasiswa memahami faktor-faktor yang mempengaruhi laju difusi gas pada

pernapasan sesuai Hukum Fick

- Isi materi :

Dalam tubuh manusia, terdapat beragam jenis fluida, baik yang berupa cairan

maupun gas. Yang berupa cairan misalnya darah dan urin sementara yang berupa gas

misalnya gas pernapasan dan gas hasil pencernaan zat makanan.

Agar peran fluida dalam tubuh manusia dapat lebih dipahami, perlu diingat beberapa

konsep dasar tentang fluida. antara lain:

o Kadar atau konsentrasi.

Semua fluida dalam tubuh manusia mengandung zat-zat tertentu, baik dalam bentuk

larutan, suspensi maupun sebagai koloid. Kadar zat pada fluida bisa dinyatakan secara

mutlak dengan satuan konsentrasi tertentu, misalnya molar atau persen.

Kadar zat pada suatu fluida juga bisa dinyatakan sebagai kadar relatif terhadap fluida lain,

misalnya isotonik, hipertonik, atau hipotonik yang didasarkan pada kadar zat rata-rata pada

darah.

o Ruang atau kompartemen.

Suatu fluida tersimpan dalam suatu ruang atau kompartemen tertentu, misalnya sitoplasma

sel yang yang berada di dalam sel sehingga disebut cairan intrasel. Cairan lain yang berada

di luar sel, disebut cairan ekstrasel. Cairan ekstrasel bisa dibagi lagi menjadi cairan

interstisial yang berada di antara sel dan cairan intravaskuler yang berada di dalam

pembuluh darah.

o Pertukaran atau perpindahan fluida.

Perpindahan fluida dapat terjadi dalam satu kompartemen yang sama maupun lintas

kompartemen. Meskipun secara makroskopis suatu fluida tubuh tertentu hanya terbatas

pada kompartemennya sendiri, secara mikroskopis tidaklah demikian.

Zat-zat yang terkandung di dalam fluida dapat berpindah dari satu kompartemen ke

kompartemen lain melalui pembatas yang bersifat semipermeabel. Sifat semipermeabel

adalah sifat suatu membran yang menghalangi perpindahan suatu zat dalam sebuah fluida

namun tidak membatasi zat lain dalam fluida yang sama.

Secara makroskopis, faktor yang menyebabkan perpindahan fluida antara lain adalah gaya-

gaya tertentu. Pada cairan, gaya ini dapat berupa gaya hidrostatik ataupun gaya osmotik

koloid (disebut juga gaya onkotik). Pada gas, gaya ini misalnya berupa gaya tekan gas.

Pada skala mikroskopis, perpindahan antar-kompartemen yang terjadi pada zat terlarut

dalam fluida bisa terjadi secara aktif maupun secara pasif. Pertukaran zat secara aktif

maksudnya adalah pertukaran yang membutuhkan energi dari pemecahan senyawa

tertentu yang diikuti pelepasan energi, misalnya pemecahan adenosine trifosfat (ATP)

menjadi adenosine difosfat (ADP), fosfat non-organik (Pi), dan sejumlah energi yang akan

digunakan untuk pertukaran tersebut di atas.

Selain itu, pertukaran zat juga bisa terjadi secara pasif. Pertukaran pasif ini bisa terjadi

karena adanya perbedaan atau yang biasa disebut gradien. Gradien ini bisa berupa gradien

tekanan, konsentrasi, atau gradien antara dua kompartemen. Pertukaran fluida secara

makroskopis dan mikroskopis ini diperlukan dalam rangka menjaga keseimbangan dinamis

yang menjadi kunci homeostasis. Contohnya, pertukaran ion-ion dalam menjaga

keseimbangan asam-basa tubuh, pertukaran gas-gas pernapasan dalam menjaga

keseimbangan metabolism tubuh, dan lain-lain.

Secara makroskopis, perpindahan fluida tubuh dalam suatu kompartemen mengikuti

prinsip dasar fisika fludia yang berlaku secara umum. Ada perbedaan kecil antara prinsip

fluida umum dan fluida tubuh yaitu bahwa tubuh mampu memodifikasi diameter pembuluh

tempat fluida secara otomatis. Selain perbedaan kecil tersebut, prinsip-prinsip fisika fluida

lain dapat diterapkan dalam memahami sifat aliran fluida tubuh.

Ada beberapa cairan tubuh yang mengikuti prinsip fisika fluida, antara lain darah dan

urin. Pada kedua cairan tubuh ini, hubungan antara besar aliran, kecepatan aliran, tekanan,

diameter dan radius pembuluh, resistansi fluida, panjang pembuluh, luas penampang

pembuluh, serta kekentalan atau viskositas dapat dijelaskan sesuai Hukum Ohm dan Hukum

Poiseuille.

Hukum Ohm Hukum Poiseuille Q = P/ R Q = P x x r4

8 x L x

Q = besar aliran V = kecepatan aliran P = perbedaan tekanan cairan R = resistensi pembuluh r = radius pembuluh

L = panjang pembuluh = kekentalan atau viskositas A = luas penampang pembuluh = 3.14

Pada sistem pembuluh darah, dapat diamati dua jenis susunan pembuluh, yaitu

serial dan paralel. Sistem aliran paralel dapat dilihat pada percabangan pembuluh darah

menjadi aliran darah ke beberapa organ secara paralel, misalnya aliran darah ke otak

berbeda dengan aliran darah ke ginjal meskipun keduanya sama-sama dalam satu sistem

pembuluh. Sementara itu, sistem aliran darah serial juga terdapat di dalam tubuh, misalnya

pada aliran vena porta hepatika. Aliran vena porta hepatika disebut aliran serial karena

bersumber dari arteri mesenterika yang memperdarahi usus terlebih dahulu.

Pada prinsip fluida, sistem aliran paralel memberikan tahanan total yang lebih

rendah dibandingkan sistem tahanan serial sesuai dengan rumus berikut:

1/Rparalel total = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + Rserial total = R1 + R2 + R3 +

Dengan banyaknya sistem aliran darah yang paralel dalam tubuh, tahanan pembuluh

total yang harus dilawan oleh gaya kontraksi jantung tidak terlalu besar sehingga darah bisa

mengalir secara optimal ke seluruh organ. Sebaliknya, susunan serial yang pada sistem vena

porta hepatika menahan aliran darah sedemikian rupa sehingga kecepatan aliran darah di

sekitar usus dan hepar tidak berlebihan demi mengoptimalkan penyerapan dan pemrosesan

zat-zat makanan di kedua organ tersebut.

Prinsip lain yang berlaku pada fludia tubuh adalah keteraturan aliran dalam

pembuluh. Jika aliran ini teratur, disebut aliran laminar sementara jika aliran tersebut tidak

teratur, disebut aliran turbulen. Banyak fenomena fisiologis dan patofisiologis yang dapat

dijelaskan sesuai aliran laminar maupun turbulen. Contohnya, pada pemeriksaan tekanan

darah dengan sfigmomanometer dan steteskop, terdengar denyutan khas yang disebut

bunyi Korotkoff. Bunyi Korotkoff terdengar di lipat siku saat manset sfigmomanometer

terpompa sedemikian rupa sehingga aliran darah di lipat siku bersifat turbulen dan

menimbulkan bunyi yang terdengar dengan stetoskop.

Pada kondisi lain, misalnya timbulnya murmur jantung, aliran darah yang sifatnya

turbulen terjadi di sekitar katup jantung yang fungsinya tidak normal dalam membuka

maupun menutup sehingga terdengar bunyi murmur tersebut. Pada murmur yang sangat

parah, bunyi ini bisa terdengar meskipun tanpa memakai stetoskop.

Selain cairan, turbulensi juga terjadi pada gas. Bunyi aliran udara pernapasan dapat

didengar jika terjadi turbulensi udara di sepanjang jalur udara pernapasan. Bunyi napas

utama dan tambahan lebih nyata terdengar jika turbulensinya semakin besar.

Untuk memperkirakan kemungkinan timbulnya suatu turbulensi, seorang fisikawan

bernama Reynold mengajukan suatu rumus yang memperhitungkan kecepatan aliran fluida,

diameter pembuluh, densitas fluida, dan viskositas fluida. Rumus Reynold adalah sebagai

berikut:

Re = v x d x

Re = angka Reynold v = kecepatan aliran d = diameter pembuluh

= densitas fluida = viskositas fluida

Semakin besar angka Reynold, maka turbulensi semakin mungkin terjadi. Umumnya, aliran aliran

laminar terjadi pada angka Reynold kurang dari 2000. Pada angka Reynold 2000-3000, aliran

laminar mulai berubah menjadi aliran turbulen. Pada angka Reynold 4000 ke atas, fludia tersebut

sudah menjadi benar-benar mengalir secara turbulen.

Penting untuk diingat bahwa fluida di dalam tubuh manusia tidak terbatas pada cairan saja.

Gas dalam tubuh manusia, misalnya udara pernapasan, juga bekerja mengikuti prinsip fisika fluida.

Di dalam paru, terjadi pertukaran gas antara udara pernapasan di dalam alveoli dengan darah di

pembuluh kapiler alveoli. Pertukaran gas ini terjadi sesuai dengan Hukum Fick yang

memperhitungkan kecepatan perpindahan gas dari satu medium ke medium lain sebagai berikut:

vgas = SA x D x (P1-P2) T

Vgas = laju difusi atau perpindahan gas P = tekanan parsial gas (konsentrasi satu gas tertentu dalam campuran berbagai gas)

P1 = tekanan parsial gas di medium awal (sebelum berdifusi) P2 = tekanan parsial gas di medium akhir (setelah berdifusi)

SA = luas permukaan membran yang dilalui gas saat berdifusi T = ketebalan membran yang dilalui gas saat berdifusi D = koefisien difusi gas (nilainya bergantung pada jenis gas)

Sesuai dengan hukum Fick, dapat diperkirakan bahwa perpindahan gas di dalam paru terjadi secara

optimal pada saat alveoli sedang mengembang karena pada saat tersebut, luas permukaan alveoli

besar dan ketebalannya kecil. Penyakit tertentu, misalnya edema paru, terjadi karena ada

penumpukan cairan di dalam rongga alveoli yang meningkatkan ketebalan membran yang harus

dilalui gas sehingga laju difusi gas menjadi berkurang dan mengganggu pernapasan.

Prinsip fluida gas yang lain terkait dengan kohesi dan tegangan permukaan juga terjadi di

paru. Sebuah alveolus mengembang dan mengempis sesuai irama pernapasan dapat dianggap

sebagai sebuah balon yang mengembang dan mengempis. Sebuah balon mengempis karena gaya

tekan udara yang dalam balon lebih rendah daripada gaya kohesi (gaya tarik-menarik antara

partikel sejenis) di dinding balon. Pada alveolus pun demikian; adanya gaya kohesi antara molekul-

molekul air di dinding alveolus menyebabkan alveolus mengempis. Semakin kecil radiusnya, maka

gaya kohesi ini akan semakin besar sehingga alveolus yang lebih kecil akan lebih mudah mengempis

dibanding alveolus yang lebih besar sesuai Hukum Laplace:

P = 2 T r

P = tekanan yang bersifat mengempiskan akibat adanya gaya kohesi T = tegangan permukaan pada dinding rongga r = radius rongga

Pada kenyataannya, alveolus yang normal TIDAK SEPENUHNYA mengikuti Hukum Laplace sebab

jika sebuah alveolus betul-betul mengikuti hukum Laplace, maka semua alveoli akan kolaps setelah

napas pertama dihembuskan. Hal ini dimungkinkan oleh adanya suatu zat yang disebut surfaktan.

Surfaktan bekerja mengurangi tegangan permukaan pada saat alveolus mulai mengempis sehingga

tekanan yang bersifat mengempiskan nilainya relatif sama meskipun radius alveolus berubah-ubah.

Hal ini memungkinkan pola pernapasan yang ringan karena tidak membutuhkan energi besar untuk

melawan tekanan akibat kohesi di dinding alveoli tersebut.

Sayangnya, ada kondisi tertentu yang menyebabkan surfaktan tidak bekerja secara optimal,

misalnya pada bayi prematur. Pada bayi prematur, surfaktan belum terbentuk sepenuhnya

sehingga tegangan permukaan pada alveoli bayi tetap tinggi yang akibatnya menyulitkan bayi

bernapas dengan baik. Kondisi ini dikenal sebagai acute repiratory stress disorder (ARDS). Kondisi ini

dapat ditangani dengan menyuntikkan zat yang dapat merangsang pembentukan surfaktan pada

ibu hamil dengan bayi prematur SEBELUM bayinya dilahirkan.

____***____

- Informasi buku teks :

Joyce James, Colin Baker, Helen Swain . Prinsip-prinsip Sains untuk Keperawatan. Jakarta: Erlangga;

2002.

Stuart Ira Fox. Human Phyisiology, 12 ed. New York: The McGraw-Hill Companies, Inc.; 2011.

Gerard J. Tortora, Bryan Derrickson. Principles of Anatomy and Physiology, 13 ed. New Jersey: John

Wiley and Sons, Inc.; 2012.

Lauralee Sherwood. Human Physiology: From Cells to Systems, 7 ed. California: Brooks/Cole,

Cengage Learning; 2010.

Linda S. Costanzo. Physiology, 3 ed. Pennsylvania: Saunders; 2006.

Arthur C. Guyton, John E. Hall. Textbook of Medical Physiology, 11 ed. Pennsylvania: Elsevier, Inc;

2006.

- Latihan :

o Contoh soal dengan jawaban isian singkat:

1. Apakah keuntungan sistem susunan pembuluh darah paralel dibandingkan serial?

2. Pada saat bunyi Korotkoff timbul, berapakah angka Reynold di arteri brachialis?

o Contoh soal dengan jawaban pilihan ganda:

1. Surfaktan memudahkan proses pernapasan dengan cara

A. Meningkatan tegangan permukaan alveolus

B. Menurunkan tegangan permukaan alveolus

C. Menetapkan tegangan permukaan alveolus

D. Meningkatan gaya pengempis rongga alveolus

E. Menurunkan gaya pengempis rongga alveolus

2. Besar aliran pada suatu pembuluh dapat ditingkatkan dengan menambah

A. Resistensi

B. Viskositas

C. Panjang

D. Tekanan

E. Densitas

_____***____