Biomekanika Gaya Pada Tubuh Manusia

Biomekanika
Biomekanika adalah ilmu pengetahuan yang mempelajari interaksi fisik antara pekerja dengan mesin, material dan peralatan dengan tujuan untuk meminimumkan keluhan pada sistem kerangka otot agar produktivitas kerja dapat meningkat.
Pendekatan biomekanika ? tubuh manusia sebagai suatu sistem yang terdiri dari elemen-elemen yang saling berkait dan terhubung satu sama lain, melalui sendi-sendi dan jaringan otot yang ada.
Prinsip-prinsip fisika digunakan untuk menyatakan tegangan mekanik pada tubuh dan gaya otot yang diperlukan untuk membagi tegangan-tegangan tersebut.

Keseimbangan
Keseimbangan adalah kemampuan untuk mempertahankan kesetimbangan tubuh ketika di tempatkan di berbagai posisi
keseimbangan adalah kemampuan untuk mempertahankan tubuh dalam posisi kesetimbangan maupun dalam keadaan statik atau dinamik, serta menggunakan aktivitas otot yang minimal.
Keseimbangan juga bisa diartikan sebagai kemampuan relatif untuk mengontrol pusat massa tubuh (center of mass) atau pusat gravitasi (center of gravity) terhadap bidang tumpu (base of support).

BIOMECHANICS
◎ General Biomechanics : ilmu yang mempelajari hukum dan konsep dasar yang mempengaruhi tubuh organic manusia dalam posisi diam maupun bergerak
Biostatics : menganalisis pada posisi diam, atau bergerak pada garis lurus dengan kecepatan seragam (uniform). Biodinamics : gambaran gerakan-gerakan tubuh tanpa mempertimbangkan gaya yang terjadi (kinematik) dan gerakan yang disebabkan gaya yang bekerja dalam tubuh (kinetik)
Biostatics
Biodynamics

BIOMECHANICS
◎ Occupational Biomechanics : ilmu yang mempelajari hubungan antar pekerja dan peralatannya, lingkungan kerja dan lain-lain untuk meningkatkan performansi kerja dan meminimasi kemungkinan cidera

PENDEKATAN BIOMEKANIKA
◎ Tubuh manusia sebagai suatu sistem yang terdiri dari elemen-elemen yang saling berkaitan dan terhubung satu sama lain, melalui sendi-sendi dan jaringan otot yang ada
◎ Struktur Tubuh Manusia: TULANG (BONES), SAMBUNGAN (JOINTS) / JARINGAN PENGHUBUNG (CONNECTIVE TISSUE), OTOT (MUSCLE)
◎ Prinsip-prinsip fisika digunakan untuk menyatakan tegangan mekanik pada tubuh dan gaya otot yang diperlukan untuk membagi tegangan-tegangan tersebut.

Struktur Tubuh Manusia
TULANG (BONES) ? investigasi pada L5/S1.
SAMBUNGAN (JOINTS) ? aplikasi teori fisika (beban, massa, gaya, momen) pada tubuh manusia.
OTOT (MUSCLE) ? aerobic & anaerobic metabolism.

Lumbar - Sacrum
Dalam banyak kegiatan penanganan material seperti mengangkat, membawa, mendorong dan menarik, gaya-gaya yang signifikan terjadi pada tulang belakang bagian bawah yaitu pada ruas lumbar ke-5 dan sacrum ke-1 (L5/S1), lokasi dimana sering terjadi cedera punggung.

Anatomy of the Human Spine

Didalam melakukan analisa biomekanik, tubuh manusia dipandang sebagai suatu sistem yang terdiri dari link (penghubung) dan joint (sambungan).
Link - Joint

Menurut Ghaffin & Anderson (1984), tubuh manusia terdiri dari enam link yaitu:
Link lengan bawah yang dibatasi joint pergelangan tangan dan siku.
Link lengan atas yang dibatasi joint siku dan bahu.
Link punggung yang dibatasi joint bahu dan pinggul.
Link paha yang dibatasi joint pinggul dan lutut.
Link betis yang dibatasi joint lutut dan mata kaki.
Link kaki yang dibatasi joint mata kaki dan telapak kaki.
Link – Joint (2)

Sambungan (Joints) / Jaringan Penghubung (Connective Issue) (1)
◎ Terdiri dari 3 bagian yakni: cartilage,
ligamen tendon
◎ aplikasi teori fisika (beban, massa, gaya, momen) pada tubuh manusia

Keseimbangan
Keseimbangan adalah kemampuan untuk mempertahankan kesetimbangan tubuh ketika di tempatkan di berbagai posisi
keseimbangan adalah kemampuan untuk mempertahankan tubuh dalam posisi kesetimbangan maupun dalam keadaan statik atau dinamik, serta menggunakan aktivitas otot yang minimal.
Keseimbangan juga bisa diartikan sebagai kemampuan relatif untuk mengontrol pusat massa tubuh (center of mass) atau pusat gravitasi (center of gravity) terhadap bidang tumpu (base of support).

Pusat Gravitasi
Titik utama pada manusia yang akan mendistribusikan massa tubuh secara merata
Jika tubuh ditopang pada titik ini maka tubuh dalam keadaan setimbang
Dimana pusat gravitasi tubuh manusia?????????????

Gaya Rangka dan Kestabilan Tubuh
(W= weight!)
W = m ⋅ g
The main force acting on the body is the gravitational force!
Gravitational force W applies at the center of gravity CG of the body!
Stability of the body against the gravitational force is maintained by the bone structure of the skeleton!
CG depends on body mass distribution! to maintain stability CG must be located between feet, if feet are far apart forces in horizontal direction Fx have to be considered

Faktor-faktor stabili
Ketinggian pusat gravitasi dengan bidang tumpu
Ukuran bidang tumpu
Lokasi garis gravitasi dengan bidang tumpu
Berat badan

Biomechanics Analysis

2-D Model of the Elbow:
From Chaffin, DB and Andersson, GBJ (1991) Occupational Biomechanics. Fig 6.2

Gaya pada tubuh dan didalam
Gaya pada tubuh ? dapat kita ketahui ex menabrak meja.
Gaya dalam tubuh ? td diketahui ex Gaya otot.
Dasar asal mula gaya adalah gaya gravitasi, tarik-menarik antara 2 benda, misalkan berat badan, ex terjadinya varises.
Gaya pada tubuh ada 2 tipe :
1. Gaya pada tubuh dlm keadaan statis.
2. Gaya pada tubuh dalam keadaan dinamis.

Contoh : Arm Lift
∑ Fx = 0
∑ Fy = 0
Fa + Fab – Fb = 0
Fb = Fa + Fab
∑ M = 0
Mb - Fa.Da - Fab.Dab = 0
Mb = Fa.Da + Fab.Dab
∑ Fx = 0
∑ Fy = 0
Fb - Fbc – Fc = 0 Fb – Fbc = Fc
∑ M = 0
Mc = - Mb
∑ Fx = 0
∑ Fy = 0
2Fc + Fcd – Fd = 0 2Fc + Fcd = Fd
∑ M = 0
Md = - Mc
Fcd

MODEL BIOMEKANIKA TULANG BELAKANG (CHAFFIN, 1991)

Three examples for lever systems, W is the applied weight, F is the force supporting the pivot point of the lever system, and M is the muscles force.

To maintain stability the vector sum of all forces applying at the CG must be zero!

The torque r causes a rotational movement around a pivot point!
Torque is defined by the force F applied at the distance r from the pivot point.
In rotational equilibrium (no rotation, constant rotation) to maintain stability for a person standing on one leg the torque requires to shift CG of body so, that:
New CG:

EXAMPLE: FORCES ON THE SPINAL COLUMN

EXAMPLE: FORCES ON THE SPINAL COLUMN

Otot dan Gaya Dinamik pada Tubuh

EXAMPLE: THE FOREARM AS LEVER SYSTEM
The biceps muscle pulls the arm upwards by muscle contraction with a force M the opposing force is the weight of the arm H at its center of gravity (CG)!

Biceps can be strengthened by weight W lifting this adds another force which has to be compensated by the muscle force.

The lower arm can be hold by the biceps muscle at different angles θ.
What muscle forces are required for the different arm positions?

EXAMPLE: THE ARM AS LEVER SYSTEM
The deltoid muscle pulls the arm upwards by muscle contraction with a force T at a fixed angle a with respect to the arm the opposing force is the weight of the arm H at its center of gravity (CG) and the (possible) weight W hold in the hand!

Gaya Dinamik pada Tubuh
Gaya mengatur gerak yang ada di dunia
Apabila tubuh kita membentur/terbentur ? bagaimana pengaruh gaya pada tubuh akan menjadi perhatian
Kasus menarik : gaya pada tubuh apabila dilibatkan percepatan atau perlambatan
Newton’s second law :
F=ma
F=Δ(mv)
Δt

Gaya Dinamik pada Tubuh
Kecepatan mobil saat ini (F1? 300 km/jam) dapat menghasilkan momentum yang besar, misalkan pada kasus tabrakan mobil harus dihentikan dalam waktu yang pendek menghasilkan gaya yang sangat besar
Gaya yang besar ini dapat menyebabkan pengendara mengalami patah tulang, luka dalam bahkan kematian
Misalkan terjadi tabrakan dari arah belakang mobil ? dapat menyebabkan cedera pada tulang leher

Gaya Dinamik pada Tubuh

Gaya Dinamik pada Tubuh
Oleh karena itu saat ini “headrests” dipasang untuk mereduksi efek dari cedera leher
Walaupun seat-belts dapat mereduksi cedera dari kecelakaan-tetapi pengendara masih punya resiko cedera pada kepala
Perhatikan ilustrasi berikut :

Gaya Dinamik pada Tubuh
Bila kecepatan mobil 15 m/det dan “dipaksa” berhenti 0,5 m
Jika 1 g adalah sama dengan percepatan gravitasi
Efek dari berhenti mendadak sekitar 23 g

Gaya Dinamik pada Tubuh
Kepada dan Badan akan terlempar ke “dashboard” dan terpelanting kembali kebelakang sebelum berhenti
Jika pada “dashboard” cukup lunak resiko, effek dari perlambatan mendadak (decelerative) dapat diminimisasi
Air bags dan penggunanan shoulder belts dapat mereduksi cedera

Gaya Dinamik pada Tubuh
Kondisi tubuh manusia karena pengaruh gaya yang dipercepat atau diperlambat menjadi kajian pada wahana ruang angkasa, aircraft, automotive
Seberapa tolerance tubuh manusia terhadap pengaruh hal tersebut menjadi kajian
Besarnya pengaruh tergantung dari orientasi tubuh dan perubahan waktu percepatan
Toleransi dari tubuh manusia terhadap perubahan percepatan untuk manusia yang “terikat” pada kursi dapat dilihat di slide berikut

Gaya Dinamik pada Tubuh

Gaya Dinamik pada Tubuh
Untuk kasus pada kursi pelontar pesawat tempur effek dari akselerasi terhadap arah seat to head harus diperhatikan
Pengetahuan tentang batas tubuh untuk gaya percepatan dan durasi-nya dapat digunakan untuk meminimalkan kemungkinan dari cedera saat “emergency escape”

Gaya Dinamik pada Tubuh
Ringkasan
Membuat penurunan/penambahan dalam berat tubuh (!bukan massa)
merubah tekanan hidrostik internal
Membuat distorsi pada jaringan lunak
Mempunyai kecenderungan untuk bagian padatan dengan perbedaan rapat massa yang terlarut dalam liquid akan terpisah

Gaya Dinamik pada Tubuh
Ringkasan
Kemampuan otot (muscle) untuk melawan gaya percepatan akan dapat meminimumkan tubuh terhadap out of control
Pada kondisi tertentu, darah dapat terkumpul pada beberapa bagian tubuh ? tergantung arah percepatan

Penggunaan Klinik
Traksi leher
w
Arah tarik
katrol
Arah tarik
otot

Aplikasi Gaya Dalam Dunia Klinik
1. Gaya berat tubuh
posisi duduk yang menyehatkan tulang belakang
2. Traksi dalam praktek klinik

Traksi tulang
w
Berat pemberat 1/7 kali BB

w
Berat pemberat 1/10 kali BB hanya untuk anak-anak dibawah 12 tahun
Traksi kulit

Musculoskeletal Disorder (MSDs)
Musculoskeletal disorders (MSDs) atau gangguan otot rangka merupakan kerusakan pada otot, saraf, tendon, ligament, persendian, kartilago, dan discus invertebralis.
Kerusakan pada otot dapat berupa ketegangan otot, inflamasi, dan degenerasi.
Sedangkan kerusakan pada tulang dapat berupa memar, mikro faktur, patah, atau terpelintir.

Penyebab MSDs
Kelelahan dan keletihan terus menerus yang disebabkan oleh frekuensi atau periode waktu yang lama dari usaha otot, dihubungkan dengan pengulangan atau usaha yang terus menerus dari bagian tubuh yang sama meliputi posisi tubuh yang statis;
Kerusakan tiba-tiba yang disebabkan oleh aktivitas yang sangat kuat/berat atau pergerakan yang tak terduga.

Jenis-jenis keluhan MSDs
Sakit Leher ? peningkatan tegangan otot atau myalgia, leher miring atau kaku leher.
Nyeri Punggung ? gejala nyeri punggung yang spesifik seperti herniasi lumbal, arthiritis, ataupun spasme otot.
Carpal Tunnel Syndrome ? kumpulan gejala yang mengenai tangan dan pergelangan tangan yang diakibatkan iritasi dan nervus medianus.
De Quervains Tenosynovitis ? Penyakit ini mengenai pergelangan tangan, ibu jari, dan terkadang lengan bawah, disebabkan oleh inflamasi tenosinovium dan dua tendon yang berasa di ibu jari pergelangan tangan.
Thoracic Outlet Syndrome ? Merupakan keadaan yang mempengaruhi bahu, lengan, dan tangan yang ditandai dengan nyeri, kelemahan, dan mati rasa pada daerah tersebut
Tennis Elbow ? keadaan inflamasi tendon ekstensor, tendon yang berasal dari siku
lengan bawah dan berjalan keluar ke pergelangan tangan.
Low Back Pain ? terjadi apabila ada penekanan pada daerah lumbal yaitu L4 dan L5. Apabila dalam pelaksanaan pekerjaan posisi tubuh membungkuk ke depan maka akan terjadi penekanan pada discus.