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 (r) suatu benda didefinisikan sebagai massa benda setiap satuan volume

Dengan r = 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 (P_h) adalah tekanan pada suatu titik di kedalaman h (diukur dari permukaan fluida) akibat gaya berat fluida itu sendiri.

Dengan P_h = Tekanan Hidrostatik (Pa)

r = 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

· 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 F_a = gaya ke atas (N)

r_f = massa jenis fluida (kg/m³)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

V_b = volume benda yang tercelup

dalam fluida (m³)

FLUIDA DINAMIKA (FLUIDA BERGERAK)

· Sifat-sifat fluida ideal berdasarkan prinsip Bernoulli :

Ø Fluida mengalir tanpa ada gesekan dalam (tidak mempunyai viskositas)

Ø Fluida mengalir secara stationer dalam hal kecepatan, arah maupun besarnya

Ø Fluida mengalir tidak termampatkan melalui sebuah pembuluh (volumenya tidak berubah karena tekanan)

Ø 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

V_{1 ;} 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 20^oC

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

prosentase darah merah dalam darah (hematokrit).

r = jari-jari pembuluh (meter)

L = panjang (meter)

P_{1 ,} 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: r = 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: r₀ = 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)

h = viskositas (poise)

Sehingga besarnya gaya hambatan adalah sama dengan selisih antara gaya jatuh dengan gaya ke atas

G_hambatan = G - G_atas

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 (h) dan berbanding terbalik dengan massa jenis zat cair (r) 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

Ø Pada saat inspirasi volume paru-paru, flow rate (debit) akan meningkat, sedangkan tekanan di intrapleural mengalami penurunan

Ø 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 g dimana : P = tekanan

R

R = jari-jari

g = 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 Udara	Udara 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

Related Post: