P-ISSN: 2303-1832 E-ISSN: 2503-023X 10 2015 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika ‘Al-BiRuNi’ 04 (2) (2015) 285-297 285 https://ejournal.radenintan.ac.id/index.php/al-biruni/index ANALISIS FISIKA TERBENTUKNYA BAYANGAN PADA MATA Widya Wati Program Studi Pendidikan Fisika IAIN Raden Intan Lampung E-mail: [email protected] Abstrak: Mata merupakan alat indra yang penting bagi tubuh. Melalui mata seorang manusia dapat melihat. Proses melihat benda yang dilakukan oleh mata dapat dianalisa secara fisika dalam bidang ilmu optik. Indra penglihatan terdiri dari tiga komponen utama: (1) mata yang memfokuskan bayangan dari dunia luar ke retina peka-cahaya, (2) sistem jutaan saraf yang menyalurkan informasi jauh ke dalam otak dan (3) koreks penglihatan, bagian dari otak tempat “semua dipadukan”. Fisika berperan pada ketiganya, tetapi fisika bagian pertama jauh lebih dipahami daripada fisika dua bagian yang terakhir. Oleh sebab itu dalam artikel ini pembahasan difokuskan analisis fisika terbentuknya bayangan pada mata. Dengan melakukan pendekatan fisika optik dapat ditentukan bagaimana posisi jatuhnya bayangan pada retina mata, dan berikut kelainan-kelainan yang terjadi pada mata sehingga dapat ditentukan lensa yang sesuai. Pada mata normal bayangan akan jatuh tepat pada retina mata. Untuk penderita rabun jauh bayangan jatuh di belakang retina sehingga untuk membantu melihat nornmal harus dibantu dengan lensa positif. Sedangkan untuk penderita rabun dekat, bayangan jatuh di depan retina, sehingga harus dibantu dengan lensa negatif. Kata Kunci: mata, pembentukan bayangan PENDAHULUAN Mata menjadi alat optik yang paling penting pada manusia atau makhluk hidup. Sebagian besar pengetahuan kita tentang dunia di sekeliling kita didapat melalui mata. Perasaan tidak berdaya yang muncul saat kita terperangkap dalam kegelapan di lingkungan yang asing merupakan petunjuk kuat akan ketergantungan kita pada penglihatan. Indra penglihatan terdiri dari tiga komponen utama: (1) mata yang memfokuskan bayangan dari dunia luar ke retina peka-cahaya (gambar 1), (2) sistem jutaan saraf yang menyalurkan informasi jauh ke dalam otak dan (3) koreks penglihatan, bagian dari otak tempat “semua dipadukan”. Kebuataan terjadi apabila salah satu dari ketiganya tidak berfungsi. Fisika berperan pada ketiganya, tetapi fisika bagian pertama jauh lebih dipahami daripada fisika dua bagian yang terakhir. Gambar 1. Komponen utama indra penglihatan 286 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika ‘Al-BiRuNi’ 04 (2) (2015) 285-297 Walaupun mata memiliki banyak dengan cahaya kurang dari 0,1 % dari kemiripan dengan kamera, namun lebih yang kita butuhkan untuk melihat warna. banyak persamaan yang terdapat antara Perbedaan sensitivitas yang besar ini mata dan sistem TV berwarna sirkuit analog dengan perbedaan antara film tertutup. hitam-putih Lensa kamera TV analog kecepatan tinggi yang dengan kornea dan lensa mata; kabel sensitive dan film berwarna yang jauh sinyal adalah saraf optikus, dan monitor kurang sensitive yang kita gunakan pemantau adalah korteks penglihatan. dikamera. Saat cahaya terang kita melihat bendabenda dalam warna yang hidup. Pada KAJIAN PUSTAKA cahaya temaram mata bekerja seperti 1. Bagian-bagian mata kamera TV hitam putih seper peka yang memungkinkan kita melihat benda Bagian-bagian mata dapat dilihat pada gambar berikut ini: Gambar 2. Struktur anatomi mata a. Sklera (bagian putih mata): b. Konjungtiva: selaput tipis yang merupakan lapisan luar mata berupa melapisi bagian dalam kelopak mata selubung berserabut putih dan relatif dan bagian luar sklera. kuat. c. Kornea: struktur transparan yang menyerupai kubah, merupakan pembungkus dari iris, pupil dan bilik 287 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika ‘Al-BiRuNi’ 04 (2) (2015) 285-297 anterior serta memfokuskan membantu cahaya. Memiliki j. Bintik buta: cakram optik yang merupakan bagian diameter sekitar 12 mm dan jari-jari hidung, merupakan kelengkungan sekitar 8 mm. percabangan d. Lapisan koroid: lapisan tipis di fovea serat dekat tempat saraf dan pembuluh darah ke retina, tidak mengandung darah dan suatu bahan pigmen, tidak kerucut, terletak pada region sekitar 3– menutupi kornea. e. Pupil: daerah hitam di tengah-tengah iris. f. Iris: sel batang ataupun dalam sklera yang berisi pembuluh . k. Humor aqueous: cairan jernih dan encer yang mengalir di antara lensa jaringan berwarna yang dan kornea (mengisi segmen anterior berbentuk cincin, menggantung di mata), belakang kornea dan di depan lensa; makanan bagi lensa dan kornea; berfungsi mengatur jumlah cahaya dihasilkan oleh prosesus siliaris. yang masuk ke mata dengan cara merubah ukuran pupil. g. Lensa: struktur cembung ganda yang serta merupakan sumber l. Humor vitreous: gel transparan / cairan kental yang terdiri dari bahan berbentuk serabut, terdapat di tergantung diantara humor aqueus belakang lensa dan di depan retina dan vitreus; berfungsi membantu (mengisi segmen posterior mata) memfokuskan cahaya ke retina. h. Retina: lapisan jaringan peka cahaya 2. Sistem optik mata yang terletak di bagian belakang bola Sistem optik mata memiliki ciri mata, berfungsi mengirimkan pesan khusus sebagai berikut, sebagian besar visuil melalui saraf optikus ke otak. tidak didapatkan bahkan pada kamera Retina terbagi menjadi 10 lapisan dan paling mahal sekalipun. memiliki reseptor cahaya aktif yaitu a. Mata dapat mengamati kejadian pada sel batang dan sel kerucut pada sudut yang sangat besar selagi lapisan ke-9. memandang sebuah benda yang i. Saraf optikus: kumpulan jutaan serat saraf yang membawa pesan visuil dari retina ke otak. terletak tepat didepannya cermat (gambar 3) secara 288 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika ‘Al-BiRuNi’ 04 (2) (2015) 285-297 Gambar 3. Mata yang melihat lurus ke depan memiliki sudut penglihatan yang besar b. Berkedip merupakan alat pembersih pasokan darah, kornea terdiri dari sel- dan pelumas built-in (terpasang tetap sel hidup dan dapat memperbaiki dan siap pakai) bagi lensa depan kerusakan lokal (kornea). g. Mata memiliki sistem pengendali c. Terdapat sistem pemfokusan otomatis cepat yang memungkinkan tekanan otomatis yang kita mempertahankan tekanan internalnya melihat benda sampai sedekat 20 cm sekitar 1,6 kPa (12mmHg) sehingga (sekitar 8 in) dalam satu detik dan bentuk kemudian melihat benda jauh. Pada dipertahankan. Apabila keadaan rileks, focus untuk mata mata cepat normal terpasang untuk jarak “tak bentuknya semula. terhingga” (melihat jauh d. Mata dapat bekerja secara efektif h. Mata bola dengan mata terletak terlindung kuat di dapat „penyok‟, kembali wadah yang ke yang hamper menerima cahaya dengan rentang seluruhnya diliputi tulang. Masing- intensitas yang sangat lebar, yaitu masing mat bersandar pada bantalan sekitar 10 milyar berbanding satu lemak yang meredam goncangan (1010:1), siang hari yang terik sampai keras malam gulita. i. Bayangan tampak terbalik di retina e. Mata memiliki sistem penyesuaian peka-cahaya di bagian belakang bola bukaan lensa yang otomatis (iris) mata tetapi otak secara otomatis f. Kornea memiliki penghapus goresan yang built-in; walaupun tidak dapat mengoreksi hal ini 289 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika ‘Al-BiRuNi’ 04 (2) (2015) 285-297 Gambar 4. Indra penglihatan dalam banyak hal serupa dengan sistem TV berwarna sirkuit tertutup. Indra penglihatan lebih unggul di segala aspek kecuali kemudahan pemasangannya j. Otak memadukan bayangan dari k. Otot mata memungkinkan mata kedua mata sehingga kita memiliki bergerak fleksibel ke atas dank e persepsi kedalaman yang baik dan bawah, ke samping, dan secara penglihatan diagonal. Setelah sedikit latihan, mata tiga dimensi sejati. Apabila penglihatan diri salah satu bahkan mata lenyap, penglihatan dari mata melingkar dapat dibuat bergerak yang tersisa masih memadai untuk sebagian besar kebutuhan Gambar 5. Enam otot mata kenan memungkinkan mata melakukan beragam gerakan. Otot-otot bekerja berpasangan: satu pasang mengendalikan gerakan ke atas dan ke bawah (U-D), satu pasang mengendalikan gerakan ke kiri dank e kanan (L-R) dan satu pasang mengendalikan gerakan rotasi (R ). Otot rotasi berjalan melewati lengkung tulang. Keenam otot melekat ke tengkorak di belakang mata 290 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika ‘Al-BiRuNi’ 04 (2) (2015) 285-297 3. Mekanime Penglihatan dan yang sangat halus disebut batang dan Bayangan pada kerucut dan memancarkan informasi Pembentukan yang diterima saraf optik dan dikirim ke Mata Sistem optik yang paling penting bagi manusia adalah mata. Di depan lensa mata membentuk terdapat suatu selaput celah otak. Apabila kita ingin melihat benda yang yang jauh letaknya maka otot siliari akan lingkaran. mengendor dan berakibat sistem lensa Selaput inilah yang disebut iris dan kornea berada pada panjang focus berfungsi memberi warna pada mata. maksimumnya yaitu kira-kira 2,5 cm Celah lingkaran disebut pupil. Lebar (jarak dari kornea ke retina). Bila letak pupil benda didekatkan maka otot siliari akan dikendalikan iris sesuai cahaya yang meningkatkan yang sehingga mengurangi panjang fokusnya memasuki mata dikendalikan oleh iris. dan bayangan akan difokuskan ke retina. Iris mengatur ukuran biji mata, sedang Proses perubahan kelengkungan lensa tebal lensa dikendalikan oleh otot siliari. inilah yang disebut akomodasi. dengan oleh intensitas mengenainya. Jumlah cahaya kelengkungan lensa Kornea mata adalah bagian depan mata Jarak terdekat (posisi benda di memiliki lengkung yang lebih tajam yang depan mata) dimana lensa memfokuskan dilapisi oleh selaput bening. Di belakang cahaya yang masuk tetap jatuh di retina kornea terdapat cairan (aqueous humor). disebut titik dekat. Jika benda lebih Cairan ini berfungsi untuk membiaskan didekatkan ke mata maka lensa tidak cahaya yang masuk ke dalam mata. Di dapat memfokuskan cahaya. Cahaya bagian yang lebih dalam lagi terdapat yang masuk tidak jatuh di retina maka lensa yang dibuat dari bahan bening, bayangan menjadi kabur. Posisi titik berserat dan kenyal. Lensa inilah disebut dekat ini beragam dari satu orang ke lensa mata/ lensa kristalin. orang yang lain dan berubah dengan Cahaya memasuki mata melalui iris meningkatnya usia. Sebagai contoh, menembus biji mata, dan oleh lensa seseorang yang usianya 10 tahun maka difokuskan sehingga jatuh ke retina atau titik dekatnya dapat sekitar 7 cm di depan selaput jala. Retina adalah lapisan serat mata, sedang seseorang yang usianya 60 saraf yang menutupi bagian belakang. tahun maka titik dekatnya dapat sekitar Retina mengandung struktur indracahaya 200 cm. 291 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika ‘Al-BiRuNi’ 04 (2) (2015) 285-297 Bagaimana proses pembentukan bayangan di retina jika mata kita melihat suatu benda? Proses bayangan di retina ditunjukkan pada Gambar 6. pembentukan Gambar 6. Proses Pembentukan bayangan di retina Benda yang tingginya y terletak 4. Refraksi Mata pada jarak S1 maka tampak kecil karena Sistem lensa mata yang positif bayangan yang terbentuk di retina kecil menyebabkan terkumpulnya sinar hasil dengan tinggi bayangan y‟. Bayangan pembiasan pada retina. Posisi bintik yang ditangkap di retina adalah nyata, kuning retina sendiri terletak pada garis terbalik, dan median dari sistem lensa mata. Bila sinar diperkecil. Otak kitalah yang menerjemahkan sehingga kalau kita datang sejajar sumbu utama melihat suatu benda maka kita dapat dibelokan melalui melihat seolah-olah bayangan tegak dan sedangkan bila sinar datang melalui pusat tidak terbalik. kelengkungan lensa akan diteruskan dan jari-jari akan lensa, bila sinar datang dari arah selain itu akan dibelokan sejajar sumbu utama. Gambar 7. Bentuk refraksi sinar pada mata 292 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika ‘Al-BiRuNi’ 04 (2) (2015) 285-297 Konvergensi tepat pada retina semacam ini dapat diatasi dengan hanya diperoleh bila benda yang dilihat memasang lensa positif atau kaca mata berada 6 meter atau lebih jauhnya dari berlensa cembung (positif). mata. Bila jarak benda kurang dari 6 Kacamata berlensa cembung meter, maka konvergensi berkurang dan membantu cahaya pembentuk bayangan bayangan yang terbentuk tidak tepat pada tetap jatuh di retina. Proses pembentukan retina. Jarak 6 meter adalah jari-jari bayangan di retina pada orang yang kelengkungan menderita rabun jauh ditunjukkan pada lensa mata, sehingga benda harus berada di ruang 3 agar Gambar 9. bayangan yang terbentuk tepat pada retina. Semakin jauh jarak benda, semakin jelas bayangan yang terbentuk. 5. Kelainan Refraksi Jika kemampuan otot siliar untuk mengatur kelengkungan lensa mata Gambar 9. Proses pembentukan bayangan di retina kurang maka dapat berakibat lensa mata pada orang yang menderita rabun kurang cembung. Hal ini mengakibatkan jauh dengan bantuan lensa positif cahaya pembentuk bayangan yang Di lain pihak, jika kemampuan otot terbentuk akan jatuh di belakang retina seperti ditunjukkan pada Gambar 8. siliari terlalu kuat dan berakibat lensa mata terlalu cembung maka bayangan yang terbentuk akan jatuh di depan retina, seperti ditunjukkan pada gambar 10. Gambar 8. Proses pembentukan bayangan yang terbentuk di belakang retina pada orang yang menderita rabun jauh Gambar 10. Proses pembentukan bayangan yang Orang yang mempunyai kelainan seperti ini disebut rabun jauh. Kelainan terbentuk di depan retina pada orang yang menderita rabun dekat Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika ‘Al-BiRuNi’ 04 (2) (2015) 285-297 293 Orang yang mempunyai kelainan Penyerapan suatu foton cahaya oleh seperti ini disebut rabun dekat. Kelainan sebuah fotoreseptor memicu timbulnya semacam ini dapat diatasi dengan sinyal listrik ke otak-suatu potensial aksi. memasang lensa negatif atau memakai Energy foton adalah sekitar 3 eV, kaca mata berlensa cekung (negatif). potensial aksi memiliki energy jutaan kali Kacamata berlensa cekung membantu lebih besar. Foton cahaya tampaknya cahaya pembentuk bayangan benda tetap menimbulkan suatu reaksi fotokimia di terbentuk di retina. Proses pembentukan fotoreseptor yang melalui suatu cara bayangan di retina pada orang yang memicu timbulnya potensi aksi. Foton menderita rabun dekat ditunjukkan pada harus diatas energy minimum untuk Gambar 11. dapat menimbulkan reaksi. Energi foton inframerah kurang memadai sehingga tidak terlihat. Foton ultraviolet memiliki energy yang memadai, tetapi foton ini diserap sebelum mencapai retina sehingga tidak terlihat. Gambar 11. Proses pembentukan bayangan di retina Retina menutupi seluruh belakang bola mata. Walaupun sifat retina yang pada orang yang menerita rabun dekat memakai lensa negatif 6. Retina Sebagai Detektor Cahaya Retina, bagian mata yang peka luas ini bermanfaat untuk memberikan penglihatan peringatan dari sudut yang besar, namun sebagian besar penglihatan cahaya terbatas ke suatu daerah kecil yang menjadi impuls listrik saraf yang dikirim disebut macula lutea, atau bintik kuning. ke otak. Walaupun peran retina mirip Semua penglihatan tajam berlangsung di dengan film pada sebuah kamera, namun bagian yang sangat kecil di bintik kuning analogi yang lebih baik adalah retina dan (diameter sekitar 0,3 mm) yang disebut bagian peka cahaya dari kamera TV. fovea sentralis. Tidak seperti film, retina tidak perlu Bayangan pada retina sangatlah kecil. Persamaan untuk menentukan ukuran bayangan di retina dapat diperoleh dengan menggunakan rasio panjang sisi segitiga sebangun. O adalah ukuran benda, I ukuran bayangan, P jarak benda, dan Q jarak bayangan, biasanya cahaya, mengubahbayangan diganti karena terdapat sistim uilt-in yang menyalurkan zat-zat kimia peka cahaya yang mengubah cahaya menjadi impuls listrik saraf. 294 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika ‘Al-BiRuNi’ 04 (2) (2015) 285-297 sekitar 0,02 m (2 cm). oleh karena itu, kita dapat menulis O/P= I/Q atau O/I= P/Q. karenanya I= (Q/P)O. Misalnya seekor lalat memiliki diameter 3 mm (0,003m) dan jarak bayangan untuk mata normal dapat dianggap Q = 0,02 m. hitung ukuran bayangan yang terbentuk di retina dari seekor lalat yang hinggap di dinding yang jaraknya 3 m. Jawaban: O = 0,003 m, Q = 0,02 m, P = 3 m Maka: I = (Q/P)O = (0,02/3)0,003 = 6. 10-5/3 = 2. 10-5 m = 20 µm Mata normal manusia dilihat dari ilmu Kimia dan Fisika, dapat menerima cahaya dengan panjang gelombang dari 380 sampai 780 nm. Daerah ini disebut Visible (Cahaya tampak) adalah bagian dari spektrum elektromagnetik yang tampak oleh mata manusia. Pada Gambar di bawah ini, daerah Visible hanya sedikit sekali. Daerah yang hanya sedikit (visible) ini, kita telah banyak melihat bermacam-macam warna yang indah di dunia ini. Sungguh ini merupakan salah satu nikmat dari Allah swt yang begitu besar. Gambar 12. Spektrum radiasi elektromagnetik Jika diperbesar menjadi; Gambar 13. Spektrum warna elektromagnetik Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika ‘Al-BiRuNi’ 04 (2) (2015) 285-297 Hubungan Posisi Benda dengan Bayangan Hubungan posisi benda, bayangan yang terbentuk dan panjang fokus suatu lensa tipis dapat ditulis dalam rumus matematik: dengan: s = jarak benda ke mata, s‟ = jarak bayangan ke mata, dan f = panjang fokus lensa. Kemampuan suatu lensa positif untuk mengumpulkan cahaya atau kemampuan lensa negatif untuk menyebarkan cahaya dinyatakan dengan istilah kekuatan lensa (P) yaitu: 295 dengan: P = kekuatan lensa (D = dioptri); f = panjang fokus lensa (m). Untuk panjang fokus suatu lensa 1 m maka kekuatan lensa tersebut 1 D. Pembiasan Cahaya oleh Prisma Dalam optik, alat yang dipakai untuk merefleksikan cahaya berwarna putih atau untuk memisahkannya (dispersi) menjadi spektrum warna pelangi), yang secara tradisional dibuat dalam bentuk prisma dengan dasar segitiga. Gambar 14. Pembiasan cahaya pada prisma Akomodasi Benda yang terletak pada jarak kurang dari 6 meter, maka perlu ada penambahan konvergensi lensa. Akomodasi mata merupakan upaya penambahan konvergensi lensa agar mata tetap dapat melihat benda yang jaraknya kurang dari 6 meter. Kemampuan akomodasi semakin berkurang dengan bertambahnya umur. Hal ini terlihat dari ukuran titik dekat pada setiap kelompok umur yang semakin bertambah. Titik dekat adalah jarak terdekat benda dari mata yang masih dapat diidentifikasi dengan jelas. Tabel 1. Ukuran titik dekat setiap kelompok umur Akomodasi terjadi karena kontraksi dari m ciliaris yang memiliki origo pada lensa dan insersi pada orbita. Kontraksi m ciliaris menarik orbita mendekat ke media sehingga jarak superior dengan 296 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika ‘Al-BiRuNi’ 04 (2) (2015) 285-297 posterior orbita berkurang. Secara tidak langsung hal ini menyebabkan tekanan pada lensa mata ke arah medial, sehingga menyebabkan kelengkungan lensa (terutama posterior) bertambah cembung. Gambar 15. Kontraksi m ciliaris Akomodasi menyebabkan seakanakan jarak benda bertambah, atau menjauh karena bagian posterior lensa bertambah cembung ke dalam. Selain jarak benda, jari-jari dan diameter lensa juga bertambah saat akomodasi. Efek samping lain yang muncul saat akomodasi adalah peningkatan tekanan chamber, terutama posterior. Hal inilah yang menyebabkan munculnya rasa nyeri tumpul (kemeng), ditambah dengan terbentuknya asam laktat dari kontraksi m ciliaris menyebabkan akomodasi mata tak dapat dilakukan terlalu lama. Jarak terdekat dari benda agar masih dapat dilihat dengan jelas dikatakan benda terletak pada titik dekat/punktum proksimum. Jarak punktum proksimum terhadap mata dinyatakan (dalam meter) maka 1/P disebut AP (aksial proksimum); pada saat ini mata berakomodasi sekuat-kuatnya (mata berakomodasi maksimum). Jarak terjauh bagi benda agar masih dapat dilihat dengan jelas dikatakan benda terletak pada titik jauh/punktum remotum. Jarak punktum remotum terhadap mata dinyatakan r (dalam meter) maka 1/r disebur Ar (aksila proksimum); pada saat ini mata tidak berakomodasi/lepas akomodasi. Setiap Ap dengan Ar disebut lebar akomodasi, dapat dinyatakan: Ac = Ap – Ar Ac merupakan lebar akomodasi yaitu perbedaan antara akomodasi maksimal dengan lepas akomodasi maksimal Secara empiris Ac = 0,0028 (80 thL)2 dioptri L = umur dalam tahun Bertambah jauhnya titik dekat akibat umur disebut mata presbyop. Presbyop ini bukan merupakan cacat penglihatan. SIMPULAN Adapun kesimpulan dari artikel ini adalah: 1. Bayangan tampak terbalik di retina peka-cahaya di bagian belakang bola mata tetapi otak secara otomatis mengoreksi hal ini 2. memadukan bayangan dari kedua mata sehingga kita memiliki persepsi kedalaman yang baik dan penglihatan tiga dimensi sejati. Apabila penglihatan diri salah satu mata lenyap, penglihatan dari mata yang tersisa masih memadai untuk sebagian besar kebutuhan Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika ‘Al-BiRuNi’ 04 (2) (2015) 285-297 DAFTAR PUSTAKA Agusta, Chaterina Paulus. 2007. Teknologi Penginderaan Jauh Kelautan : Produktivitas Perikanan. Paper Teknologi Eksplorasi Kelautan Biofisika, Fisika Indera 3, Fisika Optik. Handout Kuliah Cameron, John R. 2006. Fisika Tubuh Manusia Edisi 2. Jakarta: EGC Gabriel, J.F. 1996. Fisika Kedokteran. Jakarta : EGC 297