FI5086 �Bumi Antariksa dan Sains Kehidupan�

Galih Restu Fardian Suwandi

KK Fisika Nuklir dan Biofisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Teknologi Bandung

Sains Kehidupan 2��Fisika Sistem Hidup: Biomekanika�

2

Bagian 1

Pendahuluan

3

Motivasi awal

4

“The human body is not an exception to the laws of physics; �in fact, it is the finest evidence that physics governs the living world.”

- Irving P. Herman, Physicist

Tubuh sebagai sistem fisika

Fisika Sistem Hidup mempelajari bagaimana hukum-hukum fisika bekerja di dalam sistem biologis.�

5

Biomekanika

Biofluida

Bioakustik

Biooptika

Bioelektrik

Biomagnetisme

gaya, gerak, dan postur.

darah, udara, cairan tubuh.

suara, getaran, pendengaran.

penglihatan, interaksi cahaya dan jaringan.

sinyal saraf dan otot.

medan magnet jantung dan otak.

Bagian 2

Biomekanika

6

Biomekanika

Sistem Rangka

7

• Menopang tubuh, melindungi organ, dan memberi tumpuan otot.
• Fisika: gaya tekan–tarik dan momen lentur.

• Kekuatan tekan tulang ≈ 170 Mpa.
• Struktur berongga (tulang spons) = desain optimal berat–kekuatan.

Biomekanika

Sistem Otot

8

• Otot mengubah energi kimia (ATP) → energi mekanik.
• Gaya otot per luas penampang ≈ 30–40 N/cm².

Model Mekanik Otot: Hill-Type Muscle Model

• Efisiensi kerja otot ≈ 25%.
• Kontraksi otot mengikuti hukum aksi - reaksi Newton.
• Otot adalah motor biologis yang menggerakkan tuas tubuh.

Biomekanika

Sistem Tuas (Lever System)

​

9

untuk menghasilkan dan mengatur gerak

kesetimbangan tubuh:

Komponen Tuas Biologis

1. Titik Tumpu (Fulcrum): Sendi (misalnya siku, lutut, pangkal leher).
2. Gaya (Effort): Dihasilkan oleh kontraksi otot.
3. Beban (Load): Berat tubuh atau benda yang diangkat.

Biomekanika

10

Contoh 1

​

Biomekanika

11

Contoh 2

​

Biomekanika

12

Biomekanika pada Sprint

Bagian 3

Biofluida

13

Sirkulasi darah

14

Model fisika

Jantung: pompa periodik

Pembuluh darah: pipa elastik

Darah: fluida viskos non-Newtonian

Aliran darah pada pembuluh darah normal: laminar

Sirkulasi darah

15

Hukum Poiseuille

Penurunan radius 50% → penurunan debit 16×.

Energi dan Tekanan Darah

• Tekanan sistolik–diastolik: 120/80 mmHg (≈ 16 kPa).
• Daya jantung ≈ 90 W; energi per denyut ≈ 1 J.
• Energi jantung disalurkan melalui sistem tertutup (konservasi energi fluida).

Sirkulasi darah

16

Aliran Darah: Laminer vs. Turbulen

• Laminer → profil kecepatan parabola.
• Turbulen → kecepatan acak, tekanan turun (Bernoulli).

Bruit

suara turbulensi yang dapat didengar dengan stetoskop.

Pembuluh darah normal

Ada penghalang, misal plak akibat kolesterol atau lemak darah

Diagnostik penyempitan arteri karotis

Sistem pernapasan

17

Mekanika Pernapasan

Hukum Boyle: tekanan berbanding terbalik dengan volume

Saat inspirasi (inhale)

Paru-paru: sistem elastik dengan perubahan volume

Saat ekspirasi (exhale)

otot diafragma menurun → volume ↑ → tekanan ↓ → udara masuk.

volume ↓ → tekanan ↑ → udara keluar

Sistem pernapasan

18

Pertukaran gas pada alveoli

untuk konteks aliran gas melalui membran biologis (seperti alveolus paru-paru):

Difusi Gas (Hukum Fick)

Sistem Pencernaan

19

Mekanika Pencernaan

• Makanan bergerak dengan gelombang peristaltik.
• Otot polos → kontraksi ritmik menghasilkan tekanan bergelombang.

Sistem Pencernaan

20

Fisika Fluida Pencernaan

• Cairan makanan (chyme) = fluida non-Newtonian.
• Laju aliran bergantung tekanan dan viskositas.
• Fisika peristaltik:
• Tekanan berfluktuasi (p↑–p↓).
• Aliran bolak-balik dengan komponen netto.

Usus bekerja seperti pompa peristaltik biologis dengan sistem kontrol saraf otomatis.

Energi dan Efisiensi

• Energi mekanik otot pencernaan relatif kecil (~2% energi basal).
• Namun, sistem pencernaan sangat efisien mengubah energi kimia makanan menjadi bahan bakar sel.

Sistem Limfatik

21

Fungsi Sistem Limfatik

• Mengembalikan cairan interstisial ke sirkulasi darah.
• Menyaring patogen (fungsi imun).
• Mengangkut lemak hasil pencernaan dari usus.

Mekanika Fluida Limfatik

• Tidak memiliki pompa sentral seperti jantung.
• Aliran dihasilkan oleh kontraksi otot & tekanan eksternal.
• Katup satu arah mencegah aliran balik.

Sistem limfatik = jaringan “pompa pasif” dengan mekanika fluida pada kecepatan rendah.

Bagian 4

Refleksi & Implikasi Pendidikan

22

Refleksi

23

Biomekanika dan biofluida memberi konteks konkret bagi konsep fisika di SMP/SMA:

• Gaya & tuas → tubuh manusia.
• Tekanan & fluida → darah & paru-paru.
• Energi → makanan & gerak.
• Difusi → respirasi & pencernaan.

Pendekatan Pengajaran

• Gunakan “fisika tubuh manusia” untuk membuat konsep abstrak lebih bermakna.
• Contoh praktikum sederhana:
• Mengukur denyut nadi vs posisi tubuh.
• Simulasi aliran darah dengan selang dan air berwarna.
• Eksperimen tekanan udara dengan balon (paru-paru model).

24

“Mengajar fisika sistem hidup berarti mengajarkan siswa untuk memahami dirinya sendiri melalui hukum alam.”

Selesai

25