menentukan hambatan udara dalam proses pernafasan manusia

Prosiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains IX, Fakultas Sains dan Matematika, UKSW
Salatiga, 21 Juni 2014, Vol 5, No.1, ISSN :2087-0922
MENENTUKAN HAMBATAN UDARA DALAM PROSES
PERNAFASAN MANUSIA DENGAN LOGGER PRO
Joko Nur Arippin1,2, Made Rai Suci Shanti,2, Andreas Setiawan1,2
Progam Studi Pendidikan Fisika Fakultas Sains dan Matematika
2
Progam Studi Fisika Fakultas Sains dan Matematika
Universitas Kristen Satya Wacana
Jln. Diponegoro No. 52-60 Salatiga
[email protected]
1
ABSTRAK
Pernapasan (respirasi) adalah peristiwa menghirup udara dari luar yang mengandung O2 (oksigen) ke
dalam tubuh serta menghembuskan udara yang banyak mengandung CO2 (karbondioksida) sebagai sisa
dari oksidasi keluar tubuh. Udara yang keluar masuk dari dan ke dalam paru-paru akan mengalami
hambatan. Dikarenakan udara akan melewati beberapa organ pernafasan mulai dari hidung,
kerongkongan, trakea dan paru-paru. Setiap orang tentunya mempunyai ciri dan bentuk fisiologis organ
pernafasan yang berbeda-beda. Oleh karena itu dilakukan sebuah penelitian pengukuran hambatan udara
selama proses pernafasan. Pengambilan data dilakukan dengan menggunakan spirometer saat orang
melakukan pernafasan biasa yang dihubungkan dengan laptop yang sudah diinstall logger pro. Kemudian
didapatkan grafik volume paru-paru dan grafik aliran udara (flow rate) setiap waktu selama proses
pernafasan. Berdasarkan hukum Hagen Poiseuille, aliran udara masuk dan keluar dari dan ke paru-paru
karena disebabkan oleh perbedaan tekanan antara di mulut dan di paru-paru. Oleh karena itu, ketika
spirometer mencatat perubahan volume setiap waktu dan aliran udara setiap waktu dari dan ke paru-paru
akan didapatkan besar hambatan aliaran udara (R) dengan perubahan tekanan sebanding dengan beda
potensial (V) dan aliran udara (flow rate) (Q) sebanding dengan besarnya kuat arus (I), maka R dapat
diketahui dengan perhitungan pendekatan hukum OHM. Dengan menggunakan logger pro, R digrafikkan
-1
dengan persamaan Gaussian. Nilai hambatan udara saat inspirasi pada sampel 1 bekerja dari 0,0 s –
-1
-1
-1
10,5 s dan saat ekspirasi bekerja dari 0,0 s – 31,7 s sampel 2 pada saat inspirasi bekerja dari 0,0
s- 1 – 20,1 s-1 dan saat ekspirasi bekerja pada 0,5 s-1 – 25,5 s-1 dan R sampel 3 pada saat inspirasi
-1
-1
-1
-1
bekerja pada 0,0 s -10,1 s dan saat ekpirasi bekerja pada 0,2 s – 3,3 s .
Kata kunci : pernafasan manusia, spirometer, hambatan, logger pro
Pernafasan manusia terjadi karena adanya
perbedaan tekanan antara udara di luar tubuh
dengan udara di dalam tubuh, pada proses
pernafasan besarnya perbedaan tekanan
berpengaruh terhadap volume udara yang
digunakan untuk melakukan pernafasan
biasa[1]. Aliran udara dalam proses
pernafasan (flow rate) sama seperti sebagai
arus listrik yang dapat mengalir karena
perbedaan potensial listrik.
PENDAHULUAN
Pernapasan (respirasi) adalah peristiwa
menghirup udara dari luar yang mengandung
O2 (oksigen) ke dalam tubuh serta
menghembuskan udara yang banyak
mengandung CO2 (karbondioksida) sebagai
sisa dari oksidasi keluar tubuh. Penghisapan
ini disebut inspirasi dan menghembuskan
disebut ekspirasi (Syaifuddin, 1996). Udara
yang masuk dan keluar dari dan ke paru-paru
akan mengalami hambatan, dikarenakan
dalam proses bernafas udara melewati
beberapa organ pernafasan, mulai dari
hidung kemudian kerongkongan, trakea, dan
menuju ke paru-paru. Setiap orang tentunya
memiliki ciri dan bentuk fisiologis organ
pernafasan yang berbeda-beda. Dalam
penelitian ini akan dicari besarnya nilai
hambatan udara selama proses pernafasan
dari manusia.
Secara fisis besarnya aliran udara (F) pada
sistem pernafasan sebanding dengan
perubahan volume tiap waktu (dV/dt) atau
dinyatakan sebagai, F =dV/dt . Aliran udara
yang dianalogikan sebagai arus mengalir
dianggap aliran udara yang sifatnya laminar.
Sehingga persamaan aliran udara yang sesuai
dengan hukum Hagen Poiseuille adalah,
296
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains IX, Fakultas Sains dan Matematika, UKSW
Salatiga, 21 Juni 2014, Vol 5, No.1, ISSN :2087-0922
∆
=
=
dimana ∆ adalah perbedaan tekanan antara
udara di luar tubuh dan udara di dalam tubuh,
dan R adalah hambatan selama pernafasan.
Dalam suatu rangkaian listrik, arus dapat
mengalir karena ada beda potensial antara
ujung-ujung sumber tegangan, pernafasan
manusia terjadi karena ada perbedaan
tekanan antara udara di mulut dengan
tekanan udara di paru-paru. Dengan melihat
kembali persamaan hukum Hagen Poiseuille
di atas maka didapatkan bahwa variabel
∆ ≡ , atau dapat dikatakan bahwa
perbedaan tekanan di mulut dengan di paruparu sama dengan beda potensial. Sehingga
besar aliran udara (flow rate) akan sama
dengan besar arus listrik ( F  I) , dimana I
adalah arus listrik. Maka persamaan hukum
Hagen Poiseuille identik dengan hukum
OHM dimana:
HASIL DAN PEMBAHASAN
Berikut ini disajikan data grafik aliran udara
terhadap waktu, grafik volume terhdap
waktu, dan grafik hambatan terhadap waktu
selama proses pernafasan dari 3 manusia
yang berbeda.
=
Gambar 2. Grafik Volume dan Grafik Flow Rate
dari Sampel 1
METODOLOGI PENELITIAN
Disusun seperangkat spirometer seperti
dibawah ini dan kemudian dihubungkan
dengan laptop yang sudah diinstall program
logger pro. Pada ujung spirometer yang lain
ditempelkan di mulut pada sampel yang
hidungnya sudah ditutup dengan penjepit
hidung.
Gambar 3. Grafik Volume dan Grafik Flow Rate
dari Sampel 2
Gambar 1. Skema Susunan Alat
Keterangan gambar:
a. Mouthpiece
b. Filter Bakteri
c. Spirometer merek Vernier
d. Laptop
Dalam
pengambilan
data,
manusia
melakukan pernafasan seperti biasa selama
beberapa detik. Kemudian grafik aliran udara
(flow rate) dan grafik volume udara selama
pernafasan ditampilkan melalui layar pada
laptop.
297
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains IX, Fakultas Sains dan Matematika, UKSW
Salatiga, 21 Juni 2014, Vol 5, No.1, ISSN :2087-0922
Gambar 6. Grafik Hambatan Udara dari Sampel
2
Gambar 4. Grafik Volume dan Grafik Flow Rate
dari Sampel 3
Grafik volume terhadap waktu di atas adalah
grafik yang menunjukkan besarnya volume
udara yang digunakan saat inspirasi dan
ekspirasi selama pernafasan. Dari grafik
volume di atas dapat kita ketahui saat grafik
naik yaitu grafik saat inspirasi, yaitu saat
udara masuk ke dalam paru-paru, hal itu
disebabkan karena tekanan di luar tubuh
lebih besar dari pada tekanan udara di dalam
tubuh. Sedangkan saat grafik turun yaitu
grafik saat ekspirasi yaitu saat udara keluar
dari paru-paru, hal ini disebabkan karena
tekanan di dalam paru-paru lebih besar dari
pada tekanan udara di luar tubuh. Sedangkan
grafik flow rate diatas dapat kita lihat ada
grafik yang berada diatas sumbu x dan ada
grafik yang berada di bawah sumbu x. Grafik
yang berada di atas sumbu x artinya grafik
saat ekspirasi sedangkan grafik yang berada
di bawah sumbu x adalah grafik saat
inspirasi.
Gambar 7. Grafik Hambatan Udara dari Sampel
3
Dari grafik diatas, dapat kita lihat bahwa
hambatan saat proses pernafasan semakin
banyak udara yang dihirup atau dilepas, nilai
hambatannya semakin membesar. Dengan
demikian semakin banyak udara yang masuk
dan keluar dari dan ke paru-paru nilai
hambatannya semakin bertambah. Dari
grafik diatas dapat kita lihat perubahan
hambatan yang signifikan saat inspirasi
menuju ekspirasi atau saat ekspirasi menuju
inspirasi, hal tersebut terjadi dikarenakan
karena terjadi perubahan tekanan yang sangat
cepat. Jika kita lihat gtafik pernafasan saat
inspirasi akan disajikan dalam grafik
dibawah ini.
Dari data diatas nilai hambatan selama
pernafasan dapat dicari, dari data grafik
volume dan grafik flow rate dari masingmasing sampel di eksport ke dalam bentuk
data Microsoft excel sehingga terdapat nilai
volume dan flow rate setiap waktu. Dengan
menganggap volume sebanding dengan beda
potensial (V) dan aliran udara selama
pernafasan sebanding dengan arus listrik (I).
Maka nilai hambatan udara dapat dicari
dengan membagi volume dengan flow rate.
Nilai hambatan dicari dari hubungan R=V/I.
Kemudian dari nilai R terhadap waktu dibuat
grafik dengan logger pro.
Gambar 8. Grafik hambatan udara sampel 1 saat
inspirasi.
Gambar 9. Grafik Hambatan Udara Sampel 2
saat Inspirasi
Gambar 5. Grafik Hambatan Udara dari Sampel
1
298
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains IX, Fakultas Sains dan Matematika, UKSW
Salatiga, 21 Juni 2014, Vol 5, No.1, ISSN :2087-0922
Gambar 10. Grafik Hambatan Udara Sampel 3
saat Inspirasi
Gambar 13. Grafik Hambatan Udara Sampel 3
saat Ekspirasi
pada grafik hambatan udara saat inspirasi,
grafik tersebut jika didekati dengan suatu
persamaan persamaan tersebut adalah
persamaan Gaussian. Persamaan grafik itu
dicari dengan mengklik icon curve fit pada
tampilan logger pro.
Pada grafik hambatan udara saat ekspirasi,
grafik tersebut dapat didekati dengan
persamaan Gaussian. Pada grafik 10 nilai
kerja hambatannya adalah 0,0 s-1 - 317 s-1.
Pada grafik 11 nilai kerja hambatannya
adalah 0,5 s-1 – 25,5 s-1. Pada grafik 12 nilai
kerja hambatannya adalah 0,2 s-1 – 3,3 s-1.
Dari grafik ekspirasi nilai hambatan semakin
bertambah secara ekponensial terhadap
waktu, semakin banayak udara yang keluar
dari paru-paru semakin besar juga nilai
hambatannya.
Dari grafik hambatan saat inspirasi diatas,
dapat diketahui bahwa nilai hambatan
bertambah secara eksponensial terhadap
waktu kemudian nilainya semakin bertambah
seiiring bertambahnya volume udara yang
masuk ke paru-paru. Nilai kerja hambatan
saat inspirasi pada sampel 1 adalah dari 0,0 s1
-10,5 s-1. Sedangkan pada grafik 8 nilai kerja
hambatannya dari 0,0 s-1-20,1 s-1. Pada grafik
9 dan nilai kerja hambatannya adalah 0,0 s-1 10,1 s-1.
KESIMPULAN
Dari penelitian diatas dapat kita ketahui
bahwa nilai hambatan dipengaruhi oleh
banyaknya udara yang masuk ke paru-paru,
dan semakin besar volume udara yang keluar
dari paru-paru dan semakin banyak volume
udara yang masuk ke paru-paru semakin
membesar juga nilai hambatannya. Bentuk
grafik hambatan udara adalah persamaan
Gaussian dan nilai hambatan bertambah
secara eksponensial terhadap waktu
Sedangkan untuk grafik hambatan udara saat
ekspirasi adalah seperti di bawah ini.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Paul Davidovids. Physics in Biology and
Medicine, Academic Perss, 2008.
[2] David Halliday, Robert Resnick. Fisika.
Erlangga, 1997
[3] Made Rai Suci Shanti, “Pendekatan
Rangkaian RC Untuk Pembelajaran
Sistem Pernafasan Bagi Mahasiswa
Ilmu Kesehatan.” 2011
[4] Made Rai Suci Shanti, “Pembelajaran
Dengan Metode Eksperimen Topik
Rangkaian RC Untuk Menganalogikan
Sistem Pernafasan Pada Bidang Fisika
Kesehatan.” 2011.
Gambar 11. Grafik Hambatan Udara Sampel 1
saat Ekspirasi
Gambar 12. Grafik Hambatan Udara Sampel 2
saat Ekspirasi
299