Penerapan Ilmu Fisika dalam Bidang Medis

Apakah Fisika itu?

Fisika atau yang juga dikenal dengan ilmu alam adalah ilmu yang mempelajari gejala alam. Fisika berhubungan dengan pengamatan, pemahaman dan pendugaan atau peramalan fenomena alam termasuk sifat-sifat sistem buatan manusia. Ruang lingkup fisika sangat luas melibatkan matematika dan teori, eksperimen dan observasi, komputasi, material serta teori dan teknologi informasi. Sistem alam yang dipelajari mulai dari yang paling kecil seperti elektron dan quark sampai yang amat besar seperti tata surya bahkan jagad raya ini. Hasil kajian fisika ini berupa rumus dan hukum fisika atau dalam bahasa awamnya disebut hukum alam yang kita yakini sebagai hukum Tuhan atau dalam bahasa religius disebut sebagai ayat- ayat Tuhan.

Ide-ide dan teknik-teknik fisika juga mendorong kemajuan disiplin ilmu lain seperti kimia, komputer, elektronika dan instrumentasi, ilmu keteknikan, ilmu bahan, matematika dan statistika, kedokteran dan ilmu-ilmu hayati, meteorologi, dan lain-lain. Fisika adalah disiplin ilmu yang mencakup aspek teoritis maupun praktis yang berevolusi secara kontinu. Fisika dicirikan oleh gagasan bahwa sebuah sistem dapat difahami dengan mengidentifikasi beberapa besaran kunci seperti energi dan momentum (pusa) dan prinsip-prinsip universal yang berkaitan. Bagian yang menarik dari fisika adalah bahwa prinsip-prinsip universal itu relatif tidak banyak dan dapat berlaku untuk seluruh sains tidak terbatas pada fisika.

Fisika adalah ilmu pengetahuan empiris. Ketrampilan dan metode yang digunakan adalah bagian integral dari fisika. Tes akhir validitas setiap teori adalah apakah teori tersebut cocok dengan eksperimen. Banyak penemuan-penemuan penting yang dibuat sebagai hasil dari pengembangan suatu teknik eksperimen baru. Sebagai contoh, teknik yang dikembangkan untuk mencairkan gas helium secara berurutan mengarah pada penemuan yang sama sekali tak terduga tentang superkonduktivitas, superfluiditas dan seluruh bidang fisika temperatur rendah. Instrumen yang dikembangkan di bidang fisika dapat diterapkan di cabang ilmu pengetahuan lain.

Sebagai contoh, radiasi elektromagnet yang dipancarkan oleh mesin pemercepat elektron yang semula dirancang untuk mempelajari partikel elementer, sekarang digunakan untuk mempelajari sifat-sifat bahan di dalam ilmu keteknikan, biologi, dan kedokteran. Kemajuan di dalam fisika memerlukan suatu imaginasi dan kreativitas. Hal ini kebanyakan merupakan hasil kerjasama antar fisikawan dengan ilmuwan berbagai latar belakang yang berbeda dan dapat juga melibatkan pertukaran ide dan teknik-teknik dengan ilmuwan dari luar fisika. Di dalam fisika sendiri terdapat tiga kelompok besar aktivitas yaitu eksperimental, komputasional dan teoritikal, walaupun ada yang memperluas lagi dengan fisika terapan dan lain sebagainya.

Memahami Secara Fisika Hubungan Stroke, Tekanan Darah, dan Kerja Jantung

Stroke dapat disebabkan oleh pembuluh darah otak yang pecah akibat tidak kuat menahan tekanan darah yang sangat tinggi. Stroke sangat ditakuti setiap orang karena akibat yang ditimbulkan sangat mengerikan, mulai dari kelumpuhan sebagian organ, koma sampai kepada kematian. Oleh karena itu banyak upaya dilakukan orang untuk menjaga tekanan darahnya agar tetap normal atau paling tidak jangan terlalu jauh di atas normal.

Salah satu biang keladi penyebab tekanan darah tinggi adalah penyempitan pembuluh darah karena pengendapan kolesterol di dinding pembuluh darah. Lantas apa hubungannya penyempitan pembuluh darah dengan tekanan darah? Hukum Poiseuille dalam fisika menjelaskan hubungan antara debit cairan Q, yaitu volume cairan yang mengalir tiap detik, kekentalan cairan η .panjang saluran l, radius saluran r dan beda tekanan ujung-ujung saluran P sebagai Q = (π Pr ⁴ )/(8 η l ) (Burns dan MacDonald, 1975).

Untuk menjaga kondisi setiap sel dalam tubuh tetap sehat diperlukan pasokan gizi dan oksigen yang dibawa oleh darah dalam jumlah yang cukup. Oleh karena itu debit aliran darah Q dijaga tetap.

Tubuh kita secara alamiah akan melakukan itu. Jika kekentalan darah η tidak berubah, demikian juga panjang pembuluh darah l maka ketika radius pembuluh darah r mengecil karena mengalami penyempitan, dari rumus tadi kelihatan bahwa tekanan darah P akan naik.

Bagaimana kerja obat penurun tekanan darah? Rumus di muka menunjukkan bahwa agar tekanan P turun, pembuluh darah harus dilebarkan (r membesar) atau darah dicairkan (η mengecil) atau dua- duanya dilakukan. Semuanya tentu memiliki efek samping, oleh karena itu penggunaan obat harus di bawah pengawasan dokter.

Ketika berolahraga atau melakukan aktivitas fisik lain yang berlebih mengapa tekanan darah kita bertambah? Untuk melakukan aktivitas diperlukan energi. Energi ini dapat berasal dari pembakaran sumber energi yang dibawa oleh makanan atau dari energi yang tersimpan di dalam lemak tubuh. Proses pembakaran ini memerlukan pasokan oksigen tambahan melalui aliran darah. Jadi ketika berolah raga, debit aliran darah Q bertambah (detak jantung bertambah cepat) untuk menambah pasokan oksigen yang diperlukan untuk pembakaran tadi. Dari rumus di muka juga dapat dilihat kalau debit Q bertambah akan mengakibatkan tekanan darah P juga bertambah. Oleh karena itu bagi orang usia lanjut disarankan hanya melakukan olah raga ringan saja untuk menjaga kebugaran tubuhnya, disamping untuk menghindari kenaikan tekanan darah juga menghindari tambahan beban kerja jantung.

Jika hasil pemeriksaan kolesterol cukup tinggi tetapi tekanan darahnya normal, apakah kondisi ini cukup aman? Mungkin aman dalam arti tidak akan ada serangan stroke. Tetapi marilah kita lihat rumus di muka tadi. Kandungan kolesterol darah cukup tinggi hampir dipastikan penyempitan pembuluh darah telah terjadi. Karena tekanan darah P tidak berubah sementara jari-jari pembuluh darah mengecil, itu karena debit Q yang menurun. Debit darah yang menurun dapat disebabkan oleh frekuensi detak jantung yang melemah atau volume pemompaan darah yang berkurang. Ini berarti telah terjadi ketidak normalan pada jantung. Penurunan debit darah dalam jangka panjang tentunya akan menurunkan kinerja organ tubuh sebagai akibat dari pasokan nutrisi dan oksigen yang tidak cukup.

Jika kinerja paru-paru dan/atau jantung sudah menurun jangan melakukan aktivitas fisik yang berat. Paru-paru berfungsi mengambil oksigen dari udara dan mengeluarkan sisa pembakaran ke udara. Jantung berfungsi memompa darah agar pembuangan sisa pembakaran dan pengambilan oksigen serta pendistribusiannya ke seluruh tubuh berjalan dengan baik. Ketika ada tambahan aktivitas yang cukup berat diperlukan tambahan pasokan oksigen. Oleh karena itu paru-paru harus bekerja ekstra dengan pernafasan yang semakin cepat terengah- engah, jantung memompa dengan frekuensi yang semakin tinggi.

Bahaya muncul ketika dengan kerja ekstra yang dilakukan kedua organ penting tadi pasokan oksigen tetap tidak mencukupi kebutuhan. Secara keseluruhan pasokan oksigen keseluruh tubuh akan berkurang. Jika oksigen yang dipasok ke otak mencapai level di bawah jumlah minimum yang diperlukan dapat mengakibatkan kerusakan sel-sel otak. Gejala yang dirasakan dapat berupa pandangan kabur/kunang- kunang, pingsan, kelumpuhan, koma sampai kepada kematian.

Tinjauan Secara Fisika Tentang Berat Badan yang Berlebih

Walaupun tercatat sebagai pencetak gol terbanyak sampai di pertandingan perdelapan piala dunia 2006, Ronaldo mendapat banyak kritikan bahkan umpatan setelah penampilan pertamanya dalam tim sepak bola Brazil melawan Kroasia dalam putaran final piala dunia 2006. Ronaldo dinilai malas bergerak, jika bergerakpun amatlah lamban. Banyak orang menengarai menurunnya kegesitan Ronaldo ini dimulai sejak tubuhnya mengembang. Lantas apa hubungannya berat badan yang terlalu besar dengan kelambanan gerakannya?

Bergeraklah agar kalori terbakar, demikianlah kesimpulan dari suatu penelitian untuk menjaga berat badan. Para peneliti di Mayo Clinic Amerika Serikat merasa penasaran mengapa orang yang berat badannya berlebih sulit menjadi langsing, sementara orang yang langsing bentuk badannya tidak berubah.

Hasil penelitian membuktikan bahwa ada perbedaan aktivitas yang mencolok antara orang gemuk dan orang kurus. Mereka yang berbadan besar cenderung duduk-duduk saja sementara yang kurus terus bergerak.

Energi yang diperlukan untuk aktivitas mondar-mandir diukur dan besarnya mencapai 350 kalori sehari yang cukup untuk membakar lemak tubuh 13 sampai 18 kg setiap tahunnya (Kompas, 2 Juni 2005). Ada dua kesimpulan yang menyesatkan dalam penelitian tersebut. Yang pertama bahwa orang kegemukan atau berat badannya berlebih disebabkan oleh karena kurang aktivitas geraknya. Ini bertentangan dengan hukum I Newton yang dikenal juga dengan hukum kelembaman. Hukum ini menyatakan bahwa pada dasarnya setiap benda memiliki sifat kelembaman yaitu sifat mempertahankan keadaan geraknya. Benda yang semula rehat (tidak bergerak) mempertahankan keadaannya tetap rehat (Halliday et al., 1997).

Untuk mengubahnya menjadi bergerak diperlukan usaha. Dalam hal gerak manusia, usaha tersebut dilakukan dengan mengambil energi dari kalori yang dibawa oleh asupan makanan atau dari pembakaran lemak tubuh. Sifat kelembaman ini dibawa oleh besaran fisika massa (berat sama dengan massa dikalikan dengan percepatan gravitasi). Maksudnya adalah semakin besar massa benda (tentunya juga beratnya) semakin lembam benda tersebut yang berarti semakin sukar diubah keadaan geraknya atau semakin malas mengubah keadaan geraknya. Orang yang gemuk memerlukan usaha (berarti juga energi) yang lebih besar dibandingkan dengan orang kurus untuk mengubah keadaan rehat menjadi bergerak dengan laju yang sama. Hal inilah yang menimbulkan kemalasan beraktivitas bagi orang yang berat badannya berlebih. Jadi kegemukan itu sebagai penyebab malas beraktivitas bukan sebaliknya.

Kesimpulan kedua yang tidak sepenuhnya benar adalah bahwa untuk menjaga berat badan atau bahkan menurunkan berat badan cukup dengan memperbanyak aktivitas. Memang benar untuk melakukan aktivitas diperlukan energi yang diperoleh dari asupan makanan setiap harinya, persoalannya adalah jika asupan energi lewat makanan kita jauh lebih besar daripada energi yang diperlukan untuk beraktivitas maka akan selalu ada kelebihan energi. Disini berlaku hukum kekekalan energi. Lantas dikemanakan kelebihan energi tadi?

Energi yang berlebih akan disimpan dalam tubuh sebagai lemak tubuh. Jadi walaupun aktivitasnya ditingkatkan tetapi asupan energi lewat makanan juga ditambah maka tujuan menurunkan berat badan tidak akan tercapai bahkan hasil sebaliknya yaitu peningkatan berat badan yang diperoleh. Jadi menjaga atau mengatur berat badan yang efektif adalah melalui pengaturan pola makan (diet). Jika menginginkan berat badan yang tetap/stabil tentunya antara asupan energi (lewat makan) dan energi yang diperlukan untuk beraktivitas harus seimbang, sedang jika penurunan berat badan yang diinginkan, asupan energinya harus lebih kecil daripada energi yang diperlukan untuk beraktivitas. Sering kita dengar keluhan dari orang yang berbadan subur (biasanya wanita) yang mengatakan mereka tidak pernah sarapan pagi dan makan malam tetapi berat badannya meningkat terus. Menurut fisika hal ini tidak mungkin karena melawan kaedah kekekalan energi. Mereka lupa bahwa sarapan dan makan malamnya telah diganti dengan cemilan yang meskipun volumenya kecil tetapi kandungan energinya jauh lebih banyak dari porsi makan pagi dan malamnya tersebut.

Besar energi untuk melakukan aktivitas tubuh minimum seperti bernafas, memompa darah, metabolisme dimana tubuh dalam keadaan istirahat total disebut Basal Metabolic Rate (BMR) yang nilainya sekitar 90 kcal/jam atau sekitar 2200 kcal per hari (Cameron dan Skofronick, 1978). Seperti disebutkan sebelumnya mengatur berat badan paling efektif adalah dengan pengaturan pola makan. Sebagai contoh, seseorang ingin mengurangi lemak tubuh seberat 4,54 kg. Kandungan kalori tiap gram lemak adalah 9,3 kcal maka 4,54 kg lemak mengandung 4,54 kg x 9,3 kcal/gram = 4,2 x 10 4 kcal. Bersepeda di jalan datar dengan laju 21,3 km/jam menghabiskan energi sebesar 1198,75 kcal/jam. Untuk menurunkan berat badan dengan cara bersepeda seperti itu diperlukan waktu 4,2 x 10 4 kcal dibagi 1198,75 kcal/jam = 35 jam, dengan ketentuan pola makan tidak berubah dari sebelumnya, hal ini sukar dilakukan. Dengan mengubah diet dari 2500 kcal perhari menjadi 2000 kcal perhari atau mengurangi konsumsi makan sebesar 1/5 setiap hari diperlukan waktu 4,2 x 10 4 kcal dibagi 500 kcal/hari = 84 hari. Yang terakhir ini lebih mudah dilaksanakan. Umat muslim selama bulan puasa asupan energinya berkurang sampai 1/3 bahkan lebih oleh karena itu terjadi penurunan berat badan antara 3 sampai 5 kg setelah puasa berakhir.