1 of 28

FI5086 �Bumi Antariksa dan Sains Kehidupan�

Galih Restu Fardian Suwandi

KK Fisika Nuklir dan Biofisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Teknologi Bandung

2 of 28

Sains Kehidupan 3��Fisika Sistem Hidup: Bioakustik dan Biooptika�

2

3 of 28

Bagian 1

Pendahuluan

3

4 of 28

Sebelumnya …

4

Telah dipelajari tubuh sebagai sistem mekanik dan aliran fluida

kini kita tinjau sebagai sistem gelombang

  • Biomekanika → tubuh sebagai sistem gaya dan torsi.
  • Biofluida → tubuh sebagai sistem aliran energi melalui darah, udara, cairan.

Gelombang dalam sistem biologis:

  • Suara → getaran tekanan dalam medium 🡪 Bioakustik
  • Cahaya → gelombang elektromagnetik yang ditangkap sistem optik 🡪 Biooptika

​

Keduanya membawa informasi dan energi, diolah oleh sistem biologis dengan cara sangat efisien.

​

5 of 28

Bagian 2

Bioakustik

5

6 of 28

Bioakustik

6

Bidang yang mempelajari interaksi antara sistem biologis dan gelombang suara

​

  • Pembentukan suara (fonasi)
  • Resonansi tubuh
  • Persepsi suara (pendengaran)
  • Aplikasi medis berbasis akustik

7 of 28

Rantai Suara

7

8 of 28

Konsep Dasar Akustik

Suara

gelombang longitudinal dari variasi tekanan udara.

8

Besaran fisis utama:

Frekuensi (Hz) 🡪 tinggi nada (pitch)

Amplitudo 🡪 intensitas (loudness)

 

Tubuh manusia dapat membentuk dan meresonansikan gelombang ini.

 

9 of 28

Anatomi Pembentuk Suara

9

Paru-paru

“pompa tekanan”

sumber energi udara

Pita suara

“senar resonator”

osilator/vibrator utama

Rongga mulut, hidung, tenggorokan

“pipa organa / resonator”

penguat resonansi

Lidah dan bibir

“pengubah bentuk gelombang”

artikulator

“Tubuh bekerja seperti alat musik biologis: paru-paru sebagai pompa udara, pita suara sebagai sumber getar, dan rongga kepala sebagai ruang resonansi.”

10 of 28

Sistem Produksi Suara Manusia

10

11 of 28

Mekanika Pita Suara

11

Frekuensi getaran pita suara

 

 

  • Tegangan otot mengatur tinggi nada (pitch control).
  • Bernoulli effect membantu membuka-tutup pita suara secara periodik.

12 of 28

Mekanika Pita Suara

12

Bernoulli Effect

13 of 28

Resonansi Suara Manusia

13

Rongga mulut, hidung, dan dada bertindak sebagai resonator Helmholtz, memperkuat frekuensi tertentu (formants).

Resonansi terjadi jika:

 

 

Traktus vocal (vocal tract) dapat dimodelkan sebagai pipa organa tertutup 🡪 tertutup di pita suara, terbuka di bibir.

14 of 28

Resonansi Suara Manusia

14

“Suara manusia khas karena perbedaan panjang dan bentuk rongga resonansi.”

Tiga formant utama (puncak resonansi) dalam bunyi vokal kira-kira sesuai dengan harmonik ke-1, ke-3, dan ke-5 dari frekuensi dasar.

 

15 of 28

Artikulasi Suara Manusia

15

Bergantung pada kombinasi posisi lidah dan bibir

16 of 28

“Fisika Menyanyi”

16

Head Voice dan Chest Voice

Suara manusia = getaran pita suara yang diperkuat oleh resonansi rongga tubuh (dada, tenggorokan, mulut, hidung, kepala).

Perbedaan warna suara (timbre) muncul karena perbedaan resonator aktif dan frekuensi resonansi.

Jenis suara

Resonator dominan

Karakter fisis

Frekuensi dominan

Chest voice

Rongga dada & mulut bawah

Getaran kuat, amplitudo besar

Nada rendah,

Formant 1-2

Head voice

Rongga kepala (sinus, tengkorak)

Getaran ringan, amplitude kecil

Nada tinggi,

Format 3-4

Mixed voice

Kombinasi keduanya

Transisi halus antara kedua jenis di atas

Frekuensi menengah

17 of 28

“Fisika Menyanyi”

17

Head Voice dan Chest Voice

Terkait resonansi pipa organa tertutup

 

(rongga kecil → frekuensi tinggi, seperti head voice).

  • Perubahan posisi lidah, rahang, dan langit-langit → ubah panjang efektif rongga → geser formant (warna suara).
  • Postur dan pernapasan mengatur impedansi akustik → efisiensi transmisi energi suara.

Head voice dan chest voice merupakan pergeseran resonansi akustik tubuh pada frekuensi berbeda.�Contoh sempurna sistem bioakustik berosilasi terkopel antara paru-paru, pita suara, dan rongga resonator.

Kebiasaan 🡪 bakat

Tidak biasa 🡪 perlu dilatih

18 of 28

Bagian 3

Biooptika

18

19 of 28

Biooptika

19

Bidang yang mempelajari interaksi antara cahaya dan sistem biologis, meliputi:

​

  • Penangkapan cahaya (mata, retina)
  • Pemrosesan sinyal optik
  • Aplikasi fotosintesis, biofluoresensi, dan teknologi medis optik.

“Melihat” adalah proses mengubah energi foton menjadi makna visual.

20 of 28

Konsep Dasar

20

Spektrum cahaya tampak: jendela penglihatan manusia

 

 

21 of 28

Anatomi Mata Manusia

21

22 of 28

Anatomi Mata Manusia

22

Kornea: pembias pertama cahaya 🡪 “lensa cembung tetap”

Pupil dan iris: mengatur intensitas cahaya 🡪 “diafragma kamera”

Lensa: mengatur fokus (akomodasi)🡪 “lensa variabel”

Retina: sensor cahaya (rods dan cones)🡪 “layar detektor”

Syaraf optik: transmisi sinyal ke otak🡪 “kabel data”

23 of 28

Pembentukan bayangan pada mata

23

Bayangan: nyata, terbalik, diproses otak

 

Mata memfokuskan cahaya pada retina dengan mengubah kelengkungan lensa.

24 of 28

Cacat pada mata

24

25 of 28

Cacat pada mata

25

26 of 28

Bagian 4

Penutup

26

27 of 28

Diskusi kelompok, hasilnya cukup dalam 1 berkas jawaban

27

Diskusi 1 – Produksi dan Resonansi Suara

  1. Mengapa suara manusia dapat terdengar berbeda (misalnya antara pria, wanita, anak-anak, atau penyanyi opera)?
  2. Gunakan konsep resonansi dan frekuensi formant untuk menjelaskan perbedaan tersebut.
  3. Bagaimana panjang traktus vokal dan bentuk rongga mulut memengaruhi frekuensi suara?
  4. Jika traktus vokal dianggap sebagai tabung tertutup di salah satu ujungnya, apa yang terjadi pada formant jika panjang tabung bertambah 10%?

Diskusi 2 – Sistem Optik Mata

  1. Mata manusia bekerja seperti sistem lensa cembung yang dinamis.�Jelaskan peran akomodasi lensa dalam menjaga fokus pada jarak berbeda.
  2. Mengapa gambar yang terbentuk di retina bersifat terbalik, namun kita tetap melihatnya dengan orientasi normal?
  3. Bandingkan “mata manusia” dengan kamera digital dari sisi hukum optika dan sensitivitas terhadap cahaya.

28 of 28

Selesai

28