fisika dan fisiologi

Fisika dan Fisiologi Penyelaman

Agnes Listyanakristi Prabawati121.0211.053FK UPN “Veteran” Jakarta

Tekanan, Gas, dan Penyelaman• Pada perm. Bumi, kita mendapatkan suatu tekanan

oleh atmostfer tekanan atmosfer• Sebagian besar orang menganggap tekanan ini

diakibatkan oleh masa atmosfer yang menekan ke bawah.

• Namun penjelasan yang tepat adalah adanya tabrakan molekul gas yang sesuai dengan teori gaya kinetik gas.

• Tekanan berkurang saat kita berada di ketinggian dan meningkat saat kita berada di kedalaman laut.

• Teknanan diukur dengan beberapa satuan dari 2 referensi satuan:– Absolute pressure (tekanan

absolut)– Gauge pressure (tekanan

kedalaman)

• Contoh : tekanan yang biasa digunakan ramalan cuaca absolute pressure; tekanan darah gauge pressure

• Setiap 10 meter kedalaman laut, tekanan naik 1 atmosfer, mulai dari 1 ATA atau 0 ATG

• Gauge pressure lebih rendah 1 atmosfer dari absolut pressure. Contoh: 10 meter 2 ATA dan 1 ATG; 90 meter 10 ATA dan 9 ATG

Pressure Units

Tekanan dan tubuh penyelam• Bagian cair dan padat pada tubuh pada hakikatnya

incompressible, sehingga a tekanan yang diberikan pada 2 hal itu tidak merubah banyak dalam volume dan ditransmisikan.

• Setelah perendaman, peningkatan tekanan pada kulit menekan jaringan di bawahnya tekanan ditransfer pada seluruh bagian tubuh melawan tekanan itu sendiri (Balance)

• This is in accordance with Pascal’s Principle, which states:

A pressure exerted anywhere in a confined incompressible fluid is transmitted equally in all directions throughout the fluid such that the pressure ratio remains the same’.

Tekanan yang diberikan zat cair dalam ruang tertutup diteruskan ke segala arah dengan sama besar

Tekanan air dan inflasi• Perendaman yang mencapai leher di air mengurangi

kapasitas vital sekitar 10%, yang disebabkan oleh tekanan hidrostatik air yang menekan thoraks

• Pada perendaman, juga kehilangan efek gravitasi. Sehingga mengurangi volume darah pada tubuh bagian bawah seperti tungkai dan meningkatkan sirkulasi darah pada bagian thoraks.

P = F/t F=m.a (a g)

• When a diver is using breathing equipment, pressure at the point from which the gas is inhaled can be different from the pressure at the chest.

• If upright in the water, a scuba diver is inhaling air released at the pressure at the level of the mouth. A snorkel diver is inhaling air from the surface, and this is at surface pressure. In both these cases, the air is at a lower pressure than the diver’s lungs. This reduces the amount of air the diver can inhale because part of the inhalation force is used in overcoming this pressure difference.

• Conversely, when descending, face-down, a diver whose air is released at mouth pressure can inhale to greater than normal vital capacity but could not exhale to the normal residual volume. This is because in this orientation, the water pressure is helping to inflate the lungs

Tekanan dan Perubahan Volume

Ketika penyelam turun di kedalaman, peningkatan tekanan pada air sekitar menekan gas pada rongga gas di tubuh penyelam, meliputi paru, telinga tengah, sinus dan usus.

Boyle’s Law. ‘if the temperature remains constant, the volume of a given mass of gas is inversely

proportional to the absolute pressure’. P x V = K

P1 x V1 = P2 x V2P1/P2 = V2/V1

5 litres at 2 ATA (10 metres).2 litres at 5 ATA (40 metres).1 litre at 10 ATA (90 metres).

• During descent

• During ascent

• Udara harus memasuku rongga dengan dinding yg seperti sinus dan telinga jika udara yang masuk tidak dapat mencapai keseimbangan perbedaan tekanan kerusakan, kongesti, edem dan perdarahan

↑ Pressure gas spaces should be ↑ volume ↓

↓ Pressure gas spaces should be ↓ volume↑

Respiration in water and under pressure• Pada kedalaman, gas ditekan dan meningkatkan

kepadatan gas karena molekul lebih banyak dalam satu rongga.

• Kepadatan gas pernapasan dapat dikurangi dengan mengganti nitrogen dengan gas yang lebih ringan misalnya helium. Contoh, densitas udara pada 1 ATA sekitar 1.3 kg/cubic metre. Pada 10 ATA, densitas udara menjadi sekitar 13 kg/cubic metre.Penggunaan gas yg ringan mengurangi densitas. Contoh, pada 40 ATA, densitas campuran oxy dan helium 1% 6.7 kg/cubic metre.

• ↑ densitas gas ↑kecenderungan turbulensi ↑energi untuk bernapas fatigue

• untuk meminimalisit, tubuh merespon dengan menggunakan lebih sedikit gas pada beban kerja hypercapnia.

• Paparan gas padat, seperti yang ditemui di penyelaman yang dalam, dapat menyebabkan respon adaptif.

Temperature and Volume ChangesCharles’ Law states: ‘If the pressure is constant, the volume of a mass of gas is

proportional to the absolute temperature’.

If Boyle’s law and Charles’ Law are combined so…

Partial pressures in gas mixturesDalton’s Law states: ‘the total pressure exerted by a mixture of gases is the sum of the

pressures that would be exerted by each of the gases if it alone occupied the total volume’.

Solution of gases in liquids

Henry’s Law states: ‘at a constant temperature, the amount of a gas that will dissolve in a liquid is proportional to the partial pressure of the gas over the liquid’.

Ketika tekanan total atau parsial turun, gas harus keluar dari jaringan agar tidak menimbulkan gelembung. (DCS)Ketika penyelam ke permukaan, kelebihan nitrogen harus keluar dari tubuh, supaya tidak akan ada komplikasi. Makanya ada RNT.

Pergerakan Gas pada Jaringan Tubuh

• Perpindahan gas pada paru ke jaringan bergantung pada sirkulasi CV, dan gas yang disuplai ke jaringan tergantung pada perfusi.

• Pada bagian tubuh yang permeabel dapat terjadi difusi. Mengalir dari konsentrasi tinggi ke rendah.

• Factor:– Partial pressure – concentration gradient– Permeability

Metabolic Exchange• Peningkatan tekanan oksigen selain meningkatkan

transpor oksigen, juga mempengaruhi eliminiasi karbon dioksida, dengan 2 cara:

1. Depresi pernapasan dengan tegangan tinggi oksigen arteri

2. Pengaruh langsung thd transpor CO2.

• Orang menghirup oksigen > 3ATA hemoglobin tetap tersaturasi oksigen (karena tingginya tekanan oksigen) mencegah transport CO2 (carbaminohemoglobin) CO2 banyak di jaringan

• CO2 yang banyak di arteri menyebabkan toksisitas oksigen, DCS, dan inert gas narcosis

Inert Gas Exchange• According to Dalton’s Law– ↑Total pressure ↑ Nitrogen pressure gas

transfer – ↓Total pressure Nitrogen pressure ↓ reversed

transfer release gas – Excess gas bubble DCS

BUOYANCY (Kemampuan Mengapung)

• Berat penyelam lebih rendah drpd berat air akan terapung

• Bisa saja menggunakan benda yang lebih berat namun akan sulit kembali ke permukaan

Archimedes’ Principle states: ‘any object, wholly or partially immersed in liquid, is buoyed up by a force equal to the weight of liquid displaced’.

• Untuk meningkatkan daya apung: mengembangkan buoyancy compensator device (BCD) – alat yang digunakan untuk mengontrol daya apung bisa diatur lebih positif atau negatif atau normal.

• Penurunan gas dalam scuba juga meningkatkan daya apung

ENERGY EXPENDITURE (Pengeluaran Energi)• Pengeluaran energi penyelam ketika aktif mungkin

lebih rendah dari yang ditemukan di darat, karena tidak adanya efek gravitasi mengurangi energi yang dibutuhkan untuk mempertahankan postur bawah air.

• Peningkatan kepadatan gas meningkatkan kerja pernapasan. Hal ini meningkatkan resistensi terhadap aliran gas melalui saluran udara penyelam dan alat bantu pernapasan, meningkatkan kerja pernapasan dan mengurangi kapasitas ventilasi.

• Expectation: bahwa tekanan parsial oksigen yang lebih tinggi di lingkungan hiperbarik dapat meningkatkan kinerja fisik.

• Namun, eksperimen ruang, di mana mata pelajaran dilakukan saat bernapas oksigen pada 3 ATA, menunjukkan bahwa kinerja maksimal aerobik tidak meningkat secara signifikan.

ALTITUDE AND SATURATION DIVING• Penyelam pada ketinggian (danau di pegunungan,

misalnya), kembali ke permukaan yang tekanannya lebih rendah dari permukaan laut kencenderungan membentuk gas lbh tinggi harus menghembuskan napas lebih cepat

• Perlu modifikasi rencana dekompresi

PHYSICAL ASPECTS OF THE MARINE ENVIRONMENT

• Heat– Penyelam akan lebih mudah panas atau dingin di

dalam air dibandingkan dengan di udara pada temperatur yg sama

– Helium konduktivitas tinggi– Dapat menjaga panas tubuh di dalam air

• Light– Pada air jernih transparency maximum untuk

gelombang 480 millimicrometres (blue). – Warna merah dan orange cenderung diserap

terlihat warnanya hitam.

• Refraksi

• Sound– Air adalah penghantar suara yg lbh baik dari udara– Transmission suara ditingkatkan dengan refleksi ke permukaan. – Sebagian besar udara bertekanan tinggi dan heliox dapat

menyebabkan speech distortion. Lebih parah lagi jika menggunakan pernapasan menggunakan campuran helium yg dapat membuat perkataan tidak mudah dimengerti.

– Sering menjadi anggapan bahwa penyelam tidak dapat bicara di bawah air. Namun tidak jika penyelam memiliki rongga udara, sehingga bisa komunikasi dengan menyentuhkan 2 helmet bersama2 dengan transmisi udara-logam-udara

DIVING GASES• Oxygen (atomic weight 16, molecular weight 32) – Sebagai gas esensial– Untuk penyelaman, setidaknya membutuhkan 0.2

ATA untuk mencegah hipoksia– Dalam waktu lama, > 0.55 ATA pulmonary

toxicity, >1.5 ATA CNS problem– Recompression chamber 2.8 ATA

• Nitrogen (atomic weight 14, molecular weight 28) – 79% di udara– Dapat menyebabkan narcosis dan DCS (bubble)– Digunakan pada kedalaman < 50 meter

• Helium (atomic weight 4) is a light, inert gas– Untuk penyelaman > 50 meter– Kelebihan : ringan dan heliox lbh mudah dihirup

serta memperpendek fase dekompresi– Kekurangan: konduktivitas tinggi sehingga

penyelam lebih mudah kehilangan panas, dapat menyebabkan high-pressure neurological syndrome (HPNS)

• Hydrogen (atomic weight 1, molecular weight 2) – Ringan dan lebih mudah untuk bernapas– kelemahan: kekhawatiran meledak. Tapi tidak akan

terjadi selama oksigen < 4%– Dapat menyebabkan thermal & speech distortion

Referensi• Diving and Subaquatic Medicine