bimekanika - E-learning UPN JATIM

BIOMEKANIKA
KONSUMSI ENERGI UNTUK AKTIVITAS KERJA BERAT
Analisa Konsumsi Energi (Biomekanika), bertujuan :
1. Pemilihan frekuensi dan periode istirahat pada waktu kerja.
2. Perbandingan metode alternatif untuk mengerjakan suatu jenis pekerjaan.
3. Perancangan aktivitas kerja dan jenis pekerjaan.
4. Perancangan kembali pekerjaan yang sudah ada.
5. Mengevaluasi pekerjaan.
6. Penanganan material secara manual.
7. Pembebanan statis.
Konsep Biomekanika
Biomekanika diklasifikasikan menjadi 2, yaitu :
1. General Biomechanic
Bagian dari biomekanika mengenai hukum-hukum dan konsep-konsep dasar yang
mempengaruhi organ tubuh manusia baik dalam posisi diam maupun bergerak.
Dibagi menjadi 2, yaitu :

Biostatic, menganalisis tubuh pada posisi diam atau bergerak pada garis lurus dengan
kecepatan seragam.

Biodinamic,
berkaitan
dengan
gambaran
gerakan-gerakan
tubuh
tanpa
mempertimbangkan gaya yang terjadi dan gerakan yang disebabkan gaya yang bekerja
dalam tubuh.
2. Occupational Biomechanic
Mempelajari interaksi fisik antara pekerja dengan mesin, material, dan peralatan dengan
tujuan untuk meminimumkan keluhan pada sistem kerangka otot agar produktifitas kerja
dapat meningkat.
Manivestasi Kerja Berat
Hal-hal yang berhubungan dengan manifestasi kerja berat, antara lain :

Denyut jantung (heart rate).

Tekanan darah (blood prealsure).

Keluaran paru dengan satuan liter per menit (cardiac output).
BIOMEKANIKA

Komposisi kimia darah (kandungan asam laktat).

Temperatur tubuh (body temperature).

Kecepatan berkeringat (sweating rate).

Kecepatan membuka dan menutupnya ventilasi paru dengan satuan liter per menit
(pulmonary ventilation).

Konsumsi oksigen.
Konsumsi oksigen berhubungan langsung dengan pengukuran konsumsi energi.
Satuan Yang Digunakan
Kilocalorie adalah satuan energi pada ergonomi.
Satuan energi pada ergonomi adalah kilocalorie, dalam SI didapat :
1 kilocalorie (kcal) = 4,2 kiloJoule (kj)
Konversi konsumsi energi dalam satuan Watt :
1 Watt = 1 Joule/ detik
Satuan energi : 1 liter oksigen akan memberikan 4,8 kcal energi yang setara dengan 20 kJ.
atau
: 1 liter O2 menghasilkan 4,8 kcal energi = 20 kJ.
Kalori Kerja

Tiap 1 liter oksigen menghasilkan 4,8 kalori.

Sumber kalori adalah pembakaran zat makanan dalam jaringan tubuh yang berubah
menjadi panas dan kerja melkanik.

Makin berat kerja seseorang, semakin besar kalori yang dikonsumsi.
Tabel 1. Kalori Per Jam Menurut Jenis Kegiatan
Jenis Kegiatan
1. Tidur
2. Bangun sambil tiduran
3. Duduk istirahat
4. Membaca keras
5. Berdiri dalam keadaan tenang
6. Menjahit dengan tangan
7. Berdiri dengan suatu perhatian
8. Menyulam
9. Memakai dan membuka pakaian
10. menyanyi
11. Menjahit dengan mesin
Kalori per Jam per kg
Berat Badan
0,98
1,10
1,43
1,50
1,50
1,59
1,63
1,66
1,69
1,74
1,93
2
BIOMEKANIKA
12. Mengetik cepat
13. Menyetrika
14. Cuci piring
15. Menyapu lantai terbuka
16. Menjilid buku
17. Latihan enteng
18. Membuat sepatu
19. Jalan per lahan (3,9 km per jam)
20. Pekerjaan kayu, logam dan pengecatan
dalam industri
21. Latihan aktif
22. Jalan agak cepat (5,6 km per jam)
23. Jalan turun tangga
24. Pekerjan tukang batu
25. Latihan berat
26. Menggergaji kayu
27. Berenang
28. Lari (8 km per jam)
29. Latihan sangat berat
30. Berjalan sangant cepat (8 km per jam)
31. Jalan naik tangga
2,00
2,06
2,06
2,41
2,43
2,43
2,57
2,86
3,43
4,14
4,28
5,20
5,71
6,43
6,86
7,14
8,14
8,57
9,28
15,80
Jika seseorang melakukan pekerjaan, akan membutuhkan energi total (gross energy),
sehingga :
Konsumsi energi bersih (net energy consumption)
= energi total – metabolisme basal
Konsumsi energi total terdiri dari :
a. Metabolisme basal
Adalah konsumsi energi secara konstan pada saat istirahat dengan perut dalam keadaan
kosong.
Pria dengan berat 70 kg membutuhkan 1.700 kcal per hari, wanita dengan berat 60 kg
membutuhkan 1.400 kcal per hari.
b. Kalori untuk bekerja (work calories)
Adalah konsumsi energi yang diawali pada saat pekerjaan fisik dimulai.
Makin banyak aktivitas otot, makin banyak pula energi yang dikonsumsi (kalori kerja).
Kalori kerja menunjukkan tingkat ketegangan otot tubuh manusia dalam hubungan dengan :

Jenis kerja berat.

Tingkat usaha kerjanya.
3
BIOMEKANIKA

Kebutuhan waktu untuk istirahat.

Efisiensi dari berbagai jenis perkakas kerja.

Produktivitas dari berbagai variasi cara kerja.
Gambar 1. Konsumsi Energi Yang Dipakai Manusia
c. Kalori untuk aktivitas seharian (leisure calories).
Adalah konsumsi energi pada saat melakukan aktivitas sehari-hari.
Untuk pria rata-rata konsumsinya adalah 600 kcal dan wanita adalah 500–550 kcal.
Pengukuran Konsumsi Oksigen
Jika 1 liter oksigen dikonsumsi oleh tubuh, maka tubuh akan mendapatkan 4,8 kcal
energi dan merupakan nilai kalori suatu oksigen. Penelitian konsumsi oksigen seperti pada
Gambar 2.
Gambar 2. Konsumsi Oksigen Pada Suatu Aktivitas
4
BIOMEKANIKA
Keterangan gambar :
 Gambar 2.a., tingkat konsumsi oksigen selama 5 menit dari suatu kerja berat
yang diikuti dengan istirahat.
Hutang oksigen (oxygen debt) terjadi setelah aktivitas berlangsung dan dibayar pada saat
operator sedang istirahat.
 Gambar 2.b., tingkat konsumsi oksigen selama 5 menit dari suatu aktivitas bersepeda
ergometer pada beban yang berbeda-beda.
 Gambar 2.c., kesetimbangan nilai VO2 yang diplot dari Gambar 2.b, yaitu diplot sebagai
fungsi dari output kerja. Udara maksimum yang dihisap untuk subyek ini adalah 3,5 liter/
menit yang terjadi pada 250 W. Subyek ini bisa menghasilkan output 300 W akan tetapi
dapat terjadi pada kondisi anaerobik.
Kapasitas Kerja
Gambar 3. adalah eksperimen pengukuran konsumsi oksigen dengan meningkatnya
beban kerja, menunjukkan setiap individu mempunyai keterbatasan maksimum untuk oksigen
yang dikonsumsi.
Semakin meningkatnya beban kerja, maka konsumsi oksigen akan meningkat secara
proporsional sampai kondisi maksimumnya.
Simbol konsumsi oksigen = VO2 dengan satuan liter/ menit. Dalam perancangan kerja
direkomendasikan konsumsi oksigen berada dibawah (VO2)max dari rata-rata populasi atau
kurang dari 50% (VO2)max untuk pria.
Bagi pekerja pria, pengaturan energi kerja :

20 – 30 tahun : dikalikan 100%

40
tahun : dikalikan 96%

50
tahun : dikalikan 90%

60
tahun : dikalikan 80%

65
tahun : dikalikan 75%
Energi kerja (work energy) yang direkomendasikan untuk kerja berat adalah 5,2 kcal/
menit atau 1,08 liter/ menit oksigen (5,2/4,8), sehingga 5,2 kcal/ menit sebagai batasan
maksimum yang dapat dilaksanakan tanpa meningkatnya akumulasi asam laktat dan
temperatur dalam tubuh.
Tingkat beban kerja dalam satuan Watts :
5,2 kcal/ menit
= 5,2 x 4,2 kJ/menit
= 21,84 x 1000 over 60 W = 364 W
5
BIOMEKANIKA
Gambar 3. Konsumsi oksigen Sebanyak 1,08 Liter/ Menit
Berada Di Bawah 50% (VO2)max
Keterangan gambar :
 Rata-rata nilai konsumsi oksigen (kapasitas aerobik) yang diukur selama latihan pada
treadmills atau pada sepeda ergometer dari 350 W subyek wanita dan pria yang berusia
antara 4 sampai dengan 65 tahun. Didalamnya juga dicantumkan nilai dari 3 atlit dan
sekelompok dari 86 murid yang sedang dilatih kesegaran jasmaninya.
Gambar 3. latihan kesegaran jasmani oleh para atlit (pemain ski dan pelari marathon)
yang mempunyai (VO2)max lebih tinggi dari rata-rata populasi yaitu sebesar 85% selama 2
atau 3 jam.
Fitness
Untuk mengoreksi beban metabolisme tambahan (extra metabolic load) bagi orang yang
bekerja lebih berat :
F
VO2 max
W
Dimana :
F
= Fitness Index
(VO2)max
= Konsumsi energi maksimum (ml/ menit)
W
= Massa (kg)
Tabel 2. pengukuran fitness dari beberapa sampel populasi dengan menggunakan denyut
jantung.
6
BIOMEKANIKA
Tabel 2. Pengukuran Fitness dengan Denyut Jantung
Negara





Pria Australia
Pekerja berat Swedia
Polisi Amerika
Pejalan kaki suku
Kalahari Afrika
Atlit Swedia
Kelompok Usia
(Tahun)
31 – 45
30 – 49
23 – 62
20
Fitness rata-rata
(ml/ menit.kg)
34
43
27
47
17 – 49
65
Pengukuran Denyut Jantung
Beban kerja tidak hanya tergantung pada jumlah kalori yang dikonsumsi tapi juga pada
jumlah otot yang terlibat pada pembebanan otot statis.
Meningkatnya denyut jantung dipengaruhi oleh :
a. Temperatur sekeliling yang tinggi
b. Tingginya pembebanan otot statis
c. Sedikitnya otot yang terlibat dalam kondisi kerja
Karena alasan tersebut, denyut jantung dipakai sebagai indeks beban kerja.
Gambar 4., berbagai macam kondisi kerja yang dapat menaikkan denyut jantung dan
Gambar 5., denyut jantung pada dua kondisi kerja.
Gambar 4. Meningkatnya Denyut Jantung Dengan Berbagai Macam Kondisi Kerja
7
BIOMEKANIKA
Gambar 5. Denyut Jantung Dari Dua Kondisi Kerja Yang Berbeda
Keterangan Gambar 5 :
 Denyut jantung pada saat istirahat (resting pulse) : Rata-rata denyut jantung sebelum
pekerjaan dimulai.
 Denyut jantung selama bekerja (working pulse) : Rata-rata denyut jantung selama bekerja.
 Denyut Jantung untuk bekerja (work pulse) : Selisih antara denyut jantung selama bekerja
dan selama istirahat.
 Denyut jantung selama istirahat total (total recovery cost or recovery cost) : Jumlah
denyut jantung dari berhentinya denyut saat selesainya pekerjaan sampai denyut berada
pada kondisi istirahat.
 Denyut jantung kerja total (total work pulse or cardiac cost) : Jumlah denyut jantung dari
mulainya pekerjaan sampai denyut berada pada kondisi istirahat (resting level).
Gambar 6, penelitian pengaruh pembebanan otot secara statis pada denyut jantung.
Gambar 6. Denyut Jantung Selama Otot Diberi Beban Statis
8
9
BIOMEKANIKA
Tabel 3. Hubungan Antara Metabolisme, Respirasi, Temperatur Badan
Dan Denyut Jantung Sebagai Pengukur Beban Kerja
Beban Kerja
Sangat Ringan
Konsumsi
Oksigen
(Liter/ Menit)
0,25 – 0,3
Respirasi
(Liter/ Menit)
Temperatur
Badan (oC)
6–7
37,5
Denyut
Jantung
(pulses/ Menit)
60 – 70
Ringan
0,5 – 1,0
11 – 20
37,5
75 – 100
Menengah
1,0 – 1,5
20 – 31
37,5 – 38,0
100 -125
Berat
1,5 – 2,0
31 – 43
38,0 – 38,5
125 – 150
Sangat Berat
2,0 – 2,5
43 – 56
38,5 – 39,0
150 – 175
Lebih dari Sangat
Berat (olah raga)
2,6 – 4,0
60 – 100
Diatas 39
Diatas 175
Pengukuran denyut jantung dapat dilakukan dengan cara :
a. Merasakan denyut yang ada pada arteri radial pada pergelangan tangan.
b. Mendengarkan denyut dengan stethoscope.
c. Mengukur
signal
elektrik
dari
otot
jantung
pada
permukaan
dada
dengan
electrocardiogram.
Gambar 7. Distribusi Frekuensi dari Denyut Jantung Maksimal
Keterangan :
 Penelitian pada industri Baja dan Besi di Jerman terhadap 380 pekerja, diukur jantungnya
selama 2–4 menit. Nilai frekuensi puncaknya pada 132,6 beats/ menit dan denyut
maksimum 180 beats/ menit.
BIOMEKANIKA
Gambar 8, perbedaan antara dua kondisi kerja (berdiri dan jongkok)
1
Gambar 8. Kalori Kerja dan Denyut Jantung
Pada Dua Kondisi Kerja yang Berbeda
Gambar 9, denyut jantung pada tingkat kerja sebagai fungsi konsumsi oksigen di bawah 50%
dari (VO2)max.
Gambar 9. Denyut Jantung Pada Konsumsi Oksigen di Bawah 50% dari (VO2)max.
Keterangan :
 Denyut jantung selama latihan (kurva atas) dan selama bekerja dengan konsumsi oksigen
50% dari maksimum (kurva bawah) dari 350 orang.
Hasil studi ergonomis, pengangkatan beban pada ketinggian  1 m menuju ketinggian  1,5
m, memerlukan konsumsi energi yang paling minimal dibandingkan dari :

Lantai menuju ketinggian  0,5 m.

Dari ketinggian  0,5 m ke 1 m, atau

Dari ketinggian  1,5 m ke 2 m.
10
BIOMEKANIKA
Gambar 10. Pengangkatan beban Secara Konvensional (a)
Menuju ke Cara Kerja yang Lebih Ergonomis (b)
Dalam merancang tata cara kerja yang ergonomis, aspek efisiensi energi fisik yang
dikonsumsi berupaya menghindari beban kerja statik pada anggota tubuh karena memberi
dampak sakit dan lelah pada otot. Bila beban statik sulit dihindari, diupayakan tidak
berlangsung lama.
Gambar 11. Aktivitas Kerja yang Mengakibatkan Beban Statik
Pengukuran fisiologis kerja pada cara membawa beban, memberikan konsumsi energi
yang berbeda-beda.
Cara membawa beban dari penelitian seperti gambar berikut :
Metode ”Double Pack”
Beban dibawa dengan cara meletakkannya menempel di dada dan bahu. Konsumsi
oksigen paling kecil. Kebutuhan oksigen ditetapkan 100%.
11
BIOMEKANIKA
Metode ”Head Pack”
Meletakkan beban diatas kepala. Kebutuhan oksigen 105% dibandingkan dengan
metode double Pack.
Metode ”Yoke Pack”
Beban diletakkan pada masing-masing ujung alat pemikul beban. Kebutuhan oksigen
130%.
Metode ”Hands Pack”
Beban dibawa oleh kedua tangan. Kebutuhan oksigen 145%.
Gambar 12. Cara Membawa Beban
Penjadwalan Waktu Istirahat Untuk Kerja Berat
Bila seseorang bekerja berat dengan konsumsi energi rata-rata 5,2 kcal/ menit maka
perlahan-lahan akan muncul rasa lelah sehingga perlu waktu istirahat.
Estimasi waktu istirahat :
R


T K  S menit
K  1,5
Dimana :
R = Waktu istirahat yang diperlukan (menit)
T = Total waktu yang dipergunakan untuk kerja (menit).
K = Rata-rata energi yang dikonsumsikan untuk kerja (kcal).
S = Standard beban kerja normal yang diaplikasikan.
12
BIOMEKANIKA
Contoh Soal :
Dari suatu aktivitas kerja memerlukan energi rata-rata sebesar 5,2 kcal/ menit selama
periode waktu 1 jam. Standard beban kerja normal = 4 kcal/ menit akan memerlukan waktu
istirahat sebesar :
R


T K  S menit = 605,2  4,0 = 19,45 menit
5,2  1,5
K  1,5
Kesimpulan :
Waktu istirahat sebesar 19,45 menit diperlukan bila oranng bekerja dengan
mengkonsumsi energi rata-rata 5,2 kcal/ menit yang berlangsung selama 1 jam secara terusmenerus.
Perbandingan antara kecukupan waktu istirahat antara dua macam kondisi kerja.
Gambar 13. Denyut Jantung Untuk Aktivitas Angkat
dengan 2 Menit Waktu Istirahat (Istirahat Belum Cukup)
[
Gambar 14. Denyut Jantung Untuk Aktivitas Angkat
dengan 7 Menit Waktu Istirahat (Istirahat Cukup)
13
BIOMEKANIKA
Prinsip-prinsip biomekanika dalam pengangkatan beban :
1. Sesuaikan berat dengan kemampuan pekerja dengan mempertimbangkan frekuensi
pemindahan.
2. Manfaatkan dua atau lebih pekerja untuk memindahkan barang yang berat.
3. Ubahlah aktivitas jika mungkin sehingga lebih mudah, ringan dan tidak berbahaya.
4. Minimasi jarak horizontal gerakan antara tempat mulai dan berakhir pada pemindahan
barang.
5. Material terletak tidak lebih tinggi dari bahu.
6. Kurangi frekuensi pemindahan.
7. Berikan waktu istirahat.
8. Berlakukan rotasi kerja terhadap pekerjaan yang sedikit membutuhkan tenaga.
9. Rancang kontainer agar mempunyai pegangan yang dapat dipegang dekat dengan tubuh.
10. Benda yang berat ditempatkan setinggi lutut agar dalam pemindahan tidak menimbulkan
cidera punggung.
Kelelahan adalah :
 Proses menurunnya efisiensi performansi kerja dan berkurangnya kekuatan atau ketahanan
fisik tubuh manusia untuk melanjutkan kegiatan yang harus dilakukan.
 Suatu pola yang timbul pada suatu keadaan yang secara umum terjadi pada setiap individu
yang telah tidak sanggup lagi untuk melakukan aktivitasnya.
Beberapa macam kelelahan, seperti:
1. Lelah otot, gejala kesakitan ketika otot harus menerima beban berlebihan.
2. Lelah visual, ketegangan yang terjadi pada organ visual (mata) yang terkonsentrasi secara
terus menerus pada suatu objek.
3. Lelah mental, yaitu kelelahan karena kerja mental seperti berfikir disebut juga sebagai lelah
otak.
4. Lelah monotonis, yaitu kelelahan karena aktivitas kerja yang bersifat rutin, monoton,
ataupun lingkungan kerja yang menjemukan.
Kelelahan karena faktor yang berlangsung secara terus menerus dan terakumulasi, menyebabkan
lelah kronis. Gejala-gejalanya seperti :
14
BIOMEKANIKA
1. Meningkatnya emosi dan rasa jengkel sehingga orang menjadi kurang toleran atau asosial
terhadap orang lain.
2. Munculnya sikap apatis terhadap pekerjaan.
3. Depresi yang berat.
Gejala-gejala Kelelahan :
1. Perhatian pekerja yang menurun.
2. Perasaan berat di kepala, lelah seluruh badan, kaki terasa berat, menguap, pikiran terasa
kacau, mata terasa berat, kaku dan canggung dalam gerakan, tidak seimbang dalam berdiri
terasa berbaring.
3. Susah berpikir, gugup, tidak dapat konsentrasi, cenderung lupa, kurang kepercayaan, cemas
terhadap sesuatu, tidak dapat mengontrol sikap dan tidak tekun dalam pekerjaan.
4. Sakit bahu, nyeri di pinggang, pernafasan terasa sesak, suara serat, haus, terasa pening,
kekakuan otot kelopak mata, gemetar pada anggota badan, terasa kurang sehat badan.
Upaya Mengurangi Kelelahan :
1. Sediakan kalori secukupnya sebagai input untuk tubuh.
2. Bekerja menggunakan metode kerja yang baik.
3. Memperhatikan kemampuan tubuh,
4. Memperhatikan waktu kerja yang teratur.
5. Mengatur lingkungan fisik sebaik-baiknya, seperti temperatur, kelembaban, sirkulasi udara,
pencahayaan kebisingan getaran, bau/wangi-wangian, dll.
6. Berusaha untuk mengurangi monotoni warna dan dekorasi ruangan kerja, menyediakan
musik, menyediakan waktu-waktu olah raga, dll.
Penyebab Kelelahan :
1. Monotonitas
2. Intensitas dan durasi kerja
3. Lingkungan suasana, cahaya, dan kebisingan.
4. Fisiologi tanggung jawab.
5. Sakit, ngilu, dan gejala nutrisi.
15