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