Menentukan Hambatan Udara dalam Proses Pernafasan Manusia

PENDAHULUAN
Pernapasan (respirasi) adalah peristiwa menghirup udara dari luar yang mengandung
O2 (oksigen) ke dalam tubuh serta menghembuskan udara yang banyak mengandung CO 2
(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.
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.
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,
𝐹=
𝑑𝑉
𝑑𝑡
=
∆𝑃
𝑅
dimana ∆𝑃 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 ∆𝑃 ≡ 𝑉, atau dapat dikatakan bahwa perbedaan tekanan di
mulut dengan di paru-paru 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:
𝑉
𝐼=𝑅
2
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 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.
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.
Grafik 1. Grafik Volume dan Grafik Flow Rate dari Sampel 1
3
Grafik 2. Grafik Volume dan Grafik Flow Rate dari Sampel 2
Grafik 3. 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.
4
Dari data diatas nilai hambatan selama pernafasan dapat dicari, dari data grafik volume dan grafik
flow rate dari masing-masing 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.
Grafik 4. Grafik Hambatan Udara dari Sampel 1
Grafik 5, Grafik Hambatan Udara dari Sampel 2
Grafik 6. 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.
Grafik 7. Grafik hambatan udara sampel 1 saat inspirasi.
5
Grafik 8. Grafik Hambatan Udara Sampel 2 saat Inspirasi
Grafik 9. Grafik Hambatan Udara Sampel 3 saat Inspirasi
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.
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 s-1-10.5 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.
Sedangkan untuk grafik hambatan udara saat ekspirasi adalah seperti dibawah ini.
Grafik 10. Grafik Hambatan Udara Sampel 1 saat Ekspirasi
6
Grafik 11. Grafik Hambatan Udara Sampel 2 saat Ekspirasi
Grafik 12. Grafik Hambatan Udara Sampel 3 saat Ekspirasi
Pada grafik hambatan udara saat ekspirasi, grafik tersebut dapat didekati dengan persamaan
Gaussian. Pada grafik 10 nilai kerja hambatannya adalah 0.0 s -1 - 31.7 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.
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
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.
7