BIOMEKANIKA

Mekanika adalah salah satu cabang bidang ilmu fisika yang mempelajari gerakan dan perubahan bentuk suatu materi yang diakibatkan oleh gangguan mekanik yang disebut gaya. Mekanika adalah cabang ilmu yang tertua dari semua cabang ilmu fisika. Tersebutlah nama-nama seperti Archimides (287-212 SM), Galileo Galilei (1564-1642), dan Issac Newton (1642-1727) yang merupakan peletak dasar bidang ilmu ini. Galileo merupakan peletak dasar analisa dan eksperimen dalam ilmu dinamika. Sedangkan Newton merangkum gejala-gejala dalam dinamika dalam hukum-hukum gerak dan gravitasi.

Mekanika teknik (engineering mechanics) atau disebut juga dengan mekanika terapan adalah ilmu yang mempelajari penerapan dari prinsip-prinsip mekanika. Mekanika terapan mempelajari analisis dan disain dari sistem mekanik.

Biomekanika didefinisikan sebagai bidang ilmu aplikasi mekanika pada sistem biologi. Biomekanika merupakan kombinasi antara disiplin ilmu mekanika terapan dan ilmu-ilmu biologi dan fisiologi. Biomekanika menyangkut tubuh manusia dan hampir semua tubuh mahluk hidup. Dalam biomekanika prinsip-prinsip mekanika dipakai dalam penyusunan konsep, analisis, disain dan pengembangan peralatan dan sistem dalam biologi dan kedokteran.

Menurut Frankel dan Nordin pada tahun 1980 biomekanika merupakan ilmu mekanika teknik untuk analisa sistem kerangka otot manusia (Chaffin, 1991). Biomekanika menggunakan konsep fisika dan teknik untuk menjelaskan gerakan pada bermacam-macam bagian tubuh dan gaya yang bekerja pada bagian tubuh pada aktivitas sehari-hari. Kajian biomekanika dapat dilihat dalam dua perspektif, yaitu kinematika dan kinetika. Kinematika lebih menjurus pada karakteristik gerakan yaitu meneliti gerakan dari segi ruangan yang digunakan dalam waktu yang bersifat sementara tanpa melihat gaya yang menyebabkan gerakan. Studi kinematika menjelaskan gerakan yang menyebabkan berapa cepat obyek bergerak, berapa ketinggiannya atau berapa jauh obyek menjangkau jarak. Posisi, kecepatan dan percepatan tersebut merupakan studi kinematika. Kajian kinetika menjelaskan tentang gaya yang bekerja pada satu sistem, misalnya tubuh manusia. Kajian gerakan kinetika menjelaskan gaya yang menyebabkan gerakan. Dibandingkan dengan kajian kinematika, kajian kinetika lebih sulit untuk diamati, pada kajian kinetik yang terlihat adalah akibat dari gaya.

Biomekanika dan Ergonomi

Ergonomi adalah ilmu tentang kerja. Secara garis besar, kegiatan-kegiatan kerja manusia dapat dikelompokkan menjadi kerja fisik (otot) dan kerja mental (otak). Tubuh manusia dirancang untuk melakukan kerja (dalam hal ini kerja fisik) atau aktivitas serhari-hari, adanya masa otot yang bobotnya lebih dari separuh tubuh memungkinkan manusia untuk dapat menggerakkan tubuh dan melakukan kerja. Dari sudut pandang ergonomi, setiap beban kerja yang diterima oleh seseorang harus sesuai dan seimbang terhadap kemampuan fisik, kognitif, maupun keterbatasan manusia menerima beban tersebut. Kemampuan atau keterbatasan manusia tersebut termasuk dalam hal gerakan atau postur kerja dan gaya atau beban kerja. Disinilah biomekanika berperan. Biomekanika merupakan ilmu yang menggunakan hukum-hukum fisika dan konsep-konsep mekanika untuk mendeskripsikan gerakan dan gaya pada berbagai macam bagian tubuh ketika melakukan aktivitas. Karena biomekanika hanya berbicara dalam masalah fisik maka biomekanika termasuk dalam ranah ergonomi fisik.

Seperti telah disebutkan di atas, biomekanika berkaitan dengan sistem biologi dan menyangkut tubuh manusia dan hampir semua tubuh mahluk hidup. Namun karena ergonomic hanya membahas manusia maka lingkup biomekanika yang digunakan adalah biomekanika pada manusia.

Ergonomi memiliki prinsip dasar untuk menyesuaikan kerja agar sesuai dengan batasan atau karakteristik pekerjanya. Karakteristik ini biasanya disebut antropometri baik fisik / tubuh ataupun antropometri non fisik seperti psikometri. Biomekanika merupakan studi tentang karakteristik-karakteristik tubuh manusia dalam istilah mekanik. Biomekanika dioperasikan pada tubuh manusia baik saat tubuh dalam keadaan statis ataupun dalam keadaan dinamis. Oleh karena itu agar sistem kerja menjadi ergonomis maka harus memperhatikan biomekanika.

Biomekanika dan Perancangan Kerja

Penelitian aspek biomekanika akan sangat berkaitan dengan postur kerja, beban kerja dan proses perancangan peralatan kerja misalnya pembuatan alat bantu gerak yang dapat digunakan untuk meringankan penderita cacat maupun peralatan kerja lainnya. Peralatan yang digunakan secara langsung sehubungan dengan fisik manusia perlu rancangan agar sesuai dengan keadaan biomekanika seseorang. Penggunaan kekuatan otot yang berlebihan untuk menggunakan atau menggerakan peralatan dapat mengakibatkan cedera. Penerapan biomekanika menghindari hal tersebut, dan mengupayakan agar dengan pengeluaran energi yang minimum namun dapat dicapai hasil yang optimal.

Biomekanika Kerja Tubuh

Dalam analisis biomekanika, tubuh manusia dipandang sebagai sistem yang terdiri dari link (penghubung) dan joint (sambungan), tiap link mewakili segmen-segmen tubuh tertentu dan tiap joint menggambarkan sendi yang ada.

Menurut Chaffin dan Anderson tubuh manusia terdiri dari enam link, yaitu:

1. Link lengan bawah yang dibatasi oleh joint telapak tangan dan siku.
2. Link lengan atas yang dibatasi oleh joint siku dan bahu.
3. Link punggung yang dibatasi oleh joint bahu dan pinggul.
4. Link paha yang dibatasi oleh joint pinggul dan lutut.
5. Link betis yang dibatasi oleh joint lutut dan mata kaki.
6. Link kaki yang dibatasi oleh joint mata kaki dan telapak kaki.

Gambar tubuh sebagai sistem enam link dan joint (Chaffin, 1991)

Seperti yang disebutkan di atas bahwa manusia dapat disamakan dengan segmen benda jamak maka panjang setiap link dapat diukur berdasarkan persentase tertentu dari tinggi badan, sedangkan beratnya berdasarkan persentase dari berat badan. Penentuan letak pusat massa tiap link didasarkan pada persentase standar yang ada. Panjang setiap link tiap segmen berotasi di sekitar sambungan dan mekanika terjadi mengikuti hukum newton. Prinsip-prinsip ini digunakan untuk menyatakan gaya mekanik pada tubuh dan gaya otot yang diperlukan untuk mengimbangi gaya-gaya yang terjadi. Secara umum pokok bahasan dari biomekanika adalah untuk mempelajari interaksi fisik antara pekerja dengan mesin, material dan peralatan dengan tujuan untuk meminimumkan keluhan pada sistem kerangka otot agar produktivitas kerja dapat meningkat. Menghindari keluhan pada sistem kerangka otot dapat ditanggulangi dengan perancangan sistem kerja seperti alat kerja atau postur kerja yang ergonomis seperti yang telah disebutkan di atas atau melakukan pengendalian administratif (pemilihan personel yang tepat, pelatihan tentang teknik-teknik penanganan material). Misalnya pada gerakan jalan yang terpenting adalah keseimbangan. Gerakan ini akan memperlihatkan bagaimana kedua kaki saling menyeimbangkan berat tubuh dalam pergerakan berpindah. Untuk pengguna alat bantu pada kaki gerak terlihat bagaimana alat bantu tersebut menyeimbangkan pasien dalam berjalan sehingga alat tersebut nyaman dipakai.

Biomekanika dan Manual Material Handling

Titik berat bahasan biomekanika adalah pada fisik manusia khususnya pada saat manusia melakukan kegiatan penanganan material secara manual (Manual Material Handling / MMH) yang biasanya tanpa menggunakan alat bantu apapun. Contoh MMH adalah pengangkatan dan pemindahan secara manual, atau pekerjaan lain yang dominan menggunakan otot tubuh. Pekerjaan penanganan material secara manual (Manual Material Handling) yang terdiri dari mengangkat, menurunkan, mendorong, menarik dan membawa merupakan sumber utama komplain karyawan di industri (Ayoub & Dempsey, 1999). Meskipun kemajuan teknologi telah banyak membantu aktivitas manusia, namun tetap saja ada beberapa pekerjaan manual seperti MMH yang tidak dapat dihilangkan dengan pertimbangan biaya maupun kemudahan. Pekerjaan ini membutuhkan usaha fisik sedang hingga besar dalam durasi waktu kerja tertentu. Usaha fisik ini banyak mengakibatkan kecelakaan kerja ataupun low back pain, yang menjadi isu besar di negara-negara industri belakangan ini.

Aktivitas MMH yang tidak tepat dapat menimbulkan kerugian bahkan kecelakaan kerja. Akibat yang ditimbulkan dari aktivitas MMH yang tidak benar salah satunya adalah keluhan muskoloskeletal. Keluhan muskoloskeletal adalah keluhan pada bagian-bagian otot skeletal yang dirasakan oleh seseorang mulai dari keluhan yang sangat ringan sampai sangat sakit. Apabila otot menerima beban statis secara berulang dalam jangka waktu yang lama akan dapat menyebabkan keluhan berupa kerusakan pada sendi, ligamen dan tendon. Keluhan inilah yang biasanya disebut sebagai muskoloskeletal disorder (MSDs) atau cedera pada sistem muskuloskeletal (Grandjean, 1993).

Khusus saat melakukan MMH jenis pengangkatan, organ tubuh yang mendapatkan pengaruh paling besar adalah pada bagian tulang belakang, biomekanika pun membahas mengenai struktur tulang belakang pada tubuh manusia. Pengangkatan manual yang dilakukan oleh operator akan membuat struktur tulang belakang mengalami tekanan yang berlebihan, meskipun pengangkatan manual tersebut dilakukan tidak terlalu sering atau dengan kata lain frekuensinya jarang. Namun demikian, hal tersebut tetap saja memberikan pengaruh buruk terhadap struktur tulang belakang.

Tingginya tingkat cidera atau kecelakaan kerja selain merugikan secara langsung yaitu sakit yang diderita oleh pekerja, kecelakaan tersebut juga akan berdampak buruk terhadap kinerja perusahaan yaitu berupa penurunan produktivitas perusahaan, baik melalui beban biaya pengobatan yang cukup tinggi dan juga ketidakhadiran pekerja serta penurunan dalam kualitas kerja. 

Contoh dari penerapan ilmu biomekanika selain MMH adalah untuk menjelaskan efek getaran dan dampak yang timbul akibat kerja, menyelidiki karakteristik kolom tulang belakang, menguji penggunaan alat prosthetic, dll. 

Biomekanika dan Teknik Industri

Seperti dijelaskan sebelumnya, biomekanika sangat erat kaitannya dengan ergonomi & K3 dan ergonomi merupakan bagian dari teknik industri. Jadi jelas bahwa biomekanika termasuk banyak dipelajari di teknik industri. Namun ternyata ada satu hal lagi yang membuat biomekanika sangat dipahami di teknik industri yakni adanya jenis mata kuliah mekanika teknik (engineering mechanics) di teknik industri yang menjadi dasar ilmu dari biomekanika. Memang ada bidang teknik lain yang mendapat mekanika teknik seperti teknik mesin dan arsitektur atau sejenisnya, namun mereka tidak paham ergonomi & K3. Sedangkan ergonomi dan K3 juga ada di bidang lain seperti kesehatan masyarakat dan sejenisnya, namun mereka tidak paham mekanika teknik. Jadi di teknik industri lah bidang biomekanika ini sebenarnya dapat sangat berkembang. Walaupun penerapan mekanika teknik di teknik industri biasanya lebih mengarah ke kluster proses manufaktur atau desain produk namun bisa dikembangkan dan dilebarkan secara optimal ke kluster ergonomi bekerja sama dengan jenis mata kuliah fisiologi manusia kerja menjadi biomekanika.