Fisiologi & Pengukuran Kerja

Fisiologi & Pengukuran Kerja

tutorial 2

BIOMEKANIKA Prodi Teknik Industri Fakultas Teknologi Industri Universitas Islam Indonesia Tahun Ajaran 2016/2017

MODUL 2

www.labdske-uii.com

Biomekanika 2016 BIOMEKANIKA

A. PENDAHULUAN Biomekanika merupakan cabang ilmu ergonomi yang menggabungkan teknik fisika, antropometri dan ilmu kedokteran dasar (biologi dan fisiologi), melalui hubungan matematika. Biomekanika menggunakan penerapan hukum fisika untuk menjelaskan fenomena biologis yang terjadi dalam tubuh manusia (Tayyari dan Smith, 1997). Hukum tersebut digunakan untuk mempelajari tanggapan dari tubuh manusia terhadap beban dan tekanan yang terjadi pada tubuh di tempat kerja. Model biomekanika sering digunakan untuk menganalisis momen dan gaya pada segmen tubuh, membandingkan keterbatasan kekuatan otot, serta memprediksi kondisi dan postur kerjamanusia. Biomekanika dapat dikatakan sebagai metode ergonomi yang sangat kuat. Sebuah analisis biomekanik biasanya digunakan untuk kondisi yang melibatkan gaya yang besar (mendorong, menarik, mengangkat, memegang, dan lain-lain) atau postur kerja yang memaksakan tekanan pada tubuh.

Laboratorium Desain Sistem Kerja & Ergonomi | 1

Biomekanika 2016 Tujuan Tutorial a. Mampu merancang metode kerja yang didasarkan pada prinsip–prinsip biomekanika. b. Mengetahui besar beban kerja pada saat melakukan kerja. c. Mampu memahami keterbatasan manusia dari beban kerja yang dibebankan pada anggota tubuh manusia. d. Mampu memberikan rekomendasi berdasar hasil analisa.

B. INPUT DAN OUTPUT Input : 1. Data operator 2. Video proses pengangkatan 3. Foto hasil screencapture

Output : 1. Gaya tekan pada segmen L5/S1 2. Analisa momen dan gaya beban kerja 3. Perbaikan rancangan sistem kerja

C. REFERENSI Chaffin, D.B. et al., 1991. Occupational Biomechanics, Wiley New York. Nurmianto, E., 1996. Ergonomi: Konsep Dasar dan Aplikasinya Tinjauan Anatomi, Fisiologi, Antropometri, Psikologi, dan Komputasi untuk Perancangan, Kerja dan Produk, Jakarta: PT Guna Widya. Sutalaksana, I.Z., Anggawisastra, R. & Tjakraatmadja, J.H., 1979. Teknik Tata Cara Kerja. ITB, Bandung. Tayyari, F. & Smith, J.L., 1997. Occupational ergonomics: Principles and applications, Chapman & Hall. Waters, T., 1994. Applications manual for the revised NIOSH lifting equation, DHHS (NIOSH) Publication No. 94-110, 32. Winter, D.A., 1979. Biomechanics of human movement, Wiley New York.


Biomekanika 2016

D. LANDASAN TEORI D.1 Biomekanika Biomekanika diklasifikasikan menjadi 2, yaitu (Chaffin dan Anderson, 1991): a. General Biomechanics General Biomechanics adalah bagian dari biomekanika yang berbicara mengenai hukumhukum dan konsep-konsep dasar yang mempengaruhi tubuh manusia baik dalam posisi diam maupun bergerak. General Biomechanics dibagi menjadi 2, yaitu (Tayyari, 1997): - Biostatics, adalah bagian dari biomekanika umum yang hanya menganalisis tubuh pada posisi diam atau bergerak pada garis lurus dengan kecepatan seragam (uniform). - Biodinamics adalah bagian dari biomekanik umum yang berkaitan dengan gambaran gerakan-gerakan tubuh tanpa mempertimbangkan gaya yang terjadi (kinematik) dan gerakan yang disebabkan gaya yang bekerja dalam tubuh (kinetik). b. Occupational Biomechanics Didefinisikan sebagai bagian dari terapan yang mempelajari interaksi fisik antara pekerja dengan mesin, material dan peralatan dengan tujuan untuk meminimumkan keluhan pada sistem kerangka otot agar produktifitas kerja dapat meningkat. Setelah melihat klasifikasi diatas, maka tutorial ini mengacu pada kedua kategori tersebut karena dalam tutorial ini terdapat perhitungan berdasarkan hukum-hukum biomekanika (General Biomechanics) dan diaplikasikan ke dalam dunia kerja (Occupational Biomechanics). D.2 Analisa Mekanik D.2.1 Action Limit (AL) dan Maximum Permissible Limit (MPL) Action Limit (AL) merupakan batasan gaya angkat normal yang direkomendasikan oleh NIOSH. MPL merupakan batas besarnya gaya tekan pada segmen L5/S1 dari kegiatan pengangkatan dalam satuan Newton yang distandarkan oleh NIOSH (National Instiute of Occupational Safety and Health) tahun 1981. L5/S1 merupakan singkatan dari Lumbar kelima Sakrum pertama yang terletak pada bagian tulang belakang. Untuk mengetahui lebih jelas lagi L5/S1 dapat dilihat pada Gambar 2.1 berikut ini:


Biomekanika 2016

L5 S1

Intervertebral disk  rentan apabila terkena beban

Gambar 2.1 Klasifikasi dan kodifikasi pada vertebrae (Nurmianto, 1996) Pada sistem kerangka manusia terdapat beberapa titik rawan, yaitu pada ruas tulang leher, ruas tulang belakang (L5/S1), dan pada pangkal paha. Titik ruas tulang belakang (L5/S1) merupakan titik yang paling rawan terhadap kecelakaan kerja. Karena pada titik tersebut terdapat disk (selaput yang berisi cairan) yang berfungsi untuk meredam pergerakan antar ruas lumbar ke 5 dan sacrum ke 1. Jika tekanan yang diakibatkan pengangkatan beban kerja melebihi MPL (Maximum Premissible Limit) sebagai batasan maksimum, maka akan mengakibatkan pecahnya disk sehingga pekerja akan mengalami kelumpuhan (Nurmianto, 1996). Menurut NIOSH, besar gaya tekan maksimum tersebut adalah 6400 N pada L5/S1, sedangkan batasan gaya angkatan normal (Action Limit) sebesar 3400 pada L5/S1. Sehingga, apabila force compression (Fc) < AL (aman), AL < Fc < MPL (perlu hati-hati) dan apabila Fc > MPL (berbahaya) seperti yang terlihat pada Gambar 2.2 dibawah ini: Aman

Berbahaya Hati-hati

AL (3400N)

MPL (6400 N)

Gambar 2. 2 Force Compression (NIOSH)


Biomekanika 2016 Grafik 2.3 di bawah ini menunjukkan tiga kelas pengangkatan dengan batasan action limit dan maximum permissible limit dan perbaikan yang diperlukan.

Gambar 2.3 Ilustrasi tiga kelas pengangkatan (Tayyari & Smith, 1997)

Menurut Tayyari (1997) variasi kapasitas individu dalam aktivitas pengangkatan yang berada antara AL dan MPL terbagi menjadi beberapa kriteria, diantaranya adalah: a. Cidera otot meningkat secara normal dan masih dapat ditoleransi ketika pekerja melakukan kegiatan pengangkatan hingga AL (epidemiologic criterion). b. Tekanan gaya biomekanik 3400 N pada L5/S1 intevetebral disk dipengaruhi oleh kondisi AL, namun dapat ditoleransi oleh mayoritas pekerja usia muda dan pekerja yang sehat (biomechanical criterion). c. Kecepatan metabolis akan bertambah 3.5 kcal/min untuk mayoritas pekerja yang melakukan kegiatan pengangkatan diatas AL (physiologic criterion) d. Beban pengangkatan hingga AL dapat diterima untuk 99% laki laki dan 75% perempuan dengan resiko dapat kembali cedera.


Biomekanika 2016 D.2.2 Presentase Segmen Tubuh Dalam biomekanika, perhitungan guna mencari momen dan gaya dapat dilakukan dengan cara menghitung gaya dan momen secara parsial atau menghitung tiap segmen yang menyusun tubuh manusia. Setiap segmen tubuh memiliki presentase yang berbedabeda. Berat dari masing – masing segmen diperoleh dari besarnya presentase per segmen dikalikan dengan berat dari orang tersebut. Gambar 2.4 menunjukkan persentase segmen tubuh manusia. 2,8%

10,0%

8,4% W

1,7% WW

0,6% W

6,2% W

2,2% W

50,0% W

4,3% W 1,4%

Gambar 2.2 Persentase Persegmen Tubuh (Tayyari, 1997) Dalam tutorial ini, perhitungan secara manual dilakukan dengan menggunakan segmen yang mempengaruhi tulang belakang dalam melakukan aktivitas pengangkatan, kecuali segmen kaki dan perhitungan dilakukan berdasarkan asumsi di bawah ini (Tayyari, 1997): a. Parameter segmen tubuh pada gambar 2.4 telah sesuai. b. Pusat massa tetap dan dapat direpresentasikan melalui salah satu segmen. c. Tubuh diasumsikan simetris, dengan beban eksternal terdistribusi dalam jumlah yang sama antara tangan kanan dan kiri.


Biomekanika 2016 1. Telapak tangan Fyw ΣFy = 0

Fxw 1

ΣFx = 0 -- tidak ada gaya SL1

Mw

horizontal. ΣM = 0

WH = 0,6% x Wbadan Fyw = Wo/2 + WH WH

Mw = (Wo/2 + WH) x SL1 x cos θ1

Wo

2. Lengan Bawah

ΣFy = 0 ΣFx = 0 -- tidak ada gaya

Fye Fxe

horizontal. θ2

λ2

Me

ΣM = 0

SL2

λ2

= 43%

WLA

= 1,7% x Wbadan

-Fxw WLA

-Mw

Fye = Fyw + WLA Me = Mw + (WLA x λ2 x SL2 x cosθ2)

-Fyw

+ (Fyw x SL2 x cos θ2)


Biomekanika 2016 3. Lengan Atas Fys

ΣFy = 0

Fxs

ΣFx = 0 -- tidak ada gaya horizontal.

SL3 Ms

θ3

λ3

ΣM = 0

-Fxe WUA

-Me

λ3

= 43,6%

WUA

= 2,8% x Wbadan

Fys = Fye + WUA Ms = Me + (WUA x λ3 x SL3 x cosθ3)

-Fye

+ (Fye x SL3 x cos θ3)

NB :Gaya pada lengan atas dikalikan dua (kanan dan kiri) 4. Punggung ΣFy = 0 -Fxs -Ms SL4

Fys

λ4 Fxt Fxt

WT θ4

ΣFx = 0 -- tidak ada gaya horizontal. ΣM = 0 λ4

= 67%

WT

= 50% x Wbadan

Fyt

= 2Fys + WT

Mt

= 2Ms + (WT x λ4 x SL4 x cos θ4) + (2Fys x SL4 x cos θ4)

Mt Dengan menggunakan teknik perhitungan keseimbangan gaya pada tiap segmen tubuh manusia, maka didapat moment resultan pada L5/S1. Kemudian untuk mencapai keseimbangan tubuh pada aktivitas pengangkatan, moment pada L5/S1 tersebut diimbangi gaya otot pada spinal erector (FM) yang cukup besar dan juga gaya perut (FA) sebagai pengaruh tekanan perut (PA) atau Abdominal Pressure yang berfungsi untuk membantu kestabilan badan karena pengaruh momen dan gaya.


Biomekanika 2016 Untuk menghitung gaya tekan pada L5/S1 perlu menghitung total gaya yang terjadi yang dapat dirumuskan sebagai berikut: Wtot

= Wo +2 WH + 2 WLA+ 2 WUA + Wt ........................................................... (i)

Keterangan: Wtot

= total gaya yang terjadi (Newton)

Wo

= berat objek (Newton)

WH

= berat telapak tangan (Newton)

WLA

= berat lengan bawah (Newton)

WUA

= berat lengan atas (Newton)

Wt

= berat punggung (Newton)

Untuk mencari Gaya Perut (FA), maka perlu dicari Tekanan Perut (PA) dengan persamaan: 𝑷𝑨 =

𝟏𝟎−𝟒 [𝟒𝟑−𝟎,𝟑𝟔𝟎(𝜽𝑯 +𝜽𝑻 )] 𝟕𝟓

[𝑴𝑳𝟓 𝟏,𝟖 ] ......................................................................... (ii) 𝑺𝟏

𝑭𝑨 = 𝑷𝑨 𝒙 𝑨𝑨 ........................................................................................................ (iii) Keterangan: PA

= Tekanan Perut (N/cm2)

FA

= Gaya Perut (Newton)

AA

= Luas Diafragma (465 cm2)

θH

= Sudut inklinasi perut

θT

= Sudut inklinasi paha

Gaya otot pada spinal erector dirumuskan sebagai berikut (Chaffin, 1991):

𝑭𝑴 =

𝑴𝑳𝟓/𝑺𝟏 −𝑭𝑨 .𝐃 𝑬

..................................................................................................... (iv)

FM

= Gaya otot pada Spinal Erector (Newton)

E

= Panjang Lengan momen otot spinal erector dari L5/S1 (estimasi 0,05 m; sumber Nurmianto, 1996)

M(L5/S1)

= MT = Momen resultan pada L5/S1

FA

= Gaya Perut (Newton)

D

= Jarak dari gaya perut ke L5/S1 (0,11 m; sumber Nurmianto, 1996)


Biomekanika 2016 Kemudian gaya tekan/kompresi pada L5/S1 dirumuskan sebagai berikut: 𝑭𝒄 = 𝑾𝒕𝒐𝒕 . 𝒄𝒐𝒔 𝟒 − 𝑭𝑨 + 𝑭𝑴........................................................................... (v) Keterangan: FC

= gaya tekan pada segmen L5/S1 (Newton)

Wtot

= berat total (Newton)

θ4

= sudut pada punggung

Berikut merupakan ilustrasi penentuan sudut yang digunakan untuk perhitungan gaya kompresi (Force Compression) yang terlihat pada Gambar 2.5 di bawah:

Gambar 2.3 Ilustrasi Penentuan Sudut saat Pengangkatan (Tayyari and Smith, 1997)


Biomekanika 2016 D.3 Pencegahan CTD Pencegahan cedera Muskuloskeletal Disorder atau biasa disebut dengan Cumulative Trauma Disorder (CTDs), dapat dikelompokkan menjadi 3 kategori yaitu Engineering Control, Administrative Control dan Alat Pelindung Diri (APD) seperti yang terdapat dalam Gambar 2.6 sebagai berikut: Langkah-langkah Pencegahan CTDs

Engineering Controls

Administrative Controls

APD

Job Redesign

Penjadwalan Waktu Istirahat

Workplace Redesign

Rotasi kerja

Tool Redesign

Training

Automation

Exercise

Workplace Accessories

Job/career changes

Gambar 2.4 Langkah-langkah pencegahan CTDs (Tayyari, 1997)


Biomekanika 2016

E. CONTOH SOAL Seorang pekerja mengambil kotak yang memiliki berat 60 kg dimana berat badannya sebesar 65 kg. Jarak pergelangan tangan ke pusat masa benda 0,07 m, θ1 = 20o, jarak pergelangan tangan-siku = 0,28 m, θ2 = 20o, jarak siku-bahu = 0,3 m, θ3 = 80o, jarak bahu ke L5/S1 = 0,36 m, θ4 = 45o. sudut inklinasi perut 45o, sudut inklinasi paha 50o. Hitunglah gaya tekan pada L5/S1 tersebut! Penyelesaian : Wo

= m * g = 60 * 10 = 600 N

Wbadan = m * g = 65 * 10 = 650 N WH

= 0,6 % Wbadan = 0,6% * 650 = 3,9 N

WLA

= 1,7 % Wbadan = 1,7% * 650 = 11,05 N

WUA

= 2,8 % Wbadan = 2,8% * 650 = 18,2 N

WT

= 50 % Wbadan = 50% * 650 = 325 N

Sehingga, WTOT = Wo + 2WH + 2WLA + 2WUA + WT = 991,3 N

2

= 0.43

D

= 0.11 m

3

= 0.436

AA

= 465 cm2

4

= 0.67

E

= 0,05 m

No

Segmentasi Tubuh

Panjang (m)

Sudut (derajat)

1.

Telapak tangan

SL1 = 0,07

20o

2.

Lengan bawah

SL2 = 0,28

20o

3.

Lengan Atas

SL3 = 0,30

80o

4.

Punggung

SL4 = 0,36

45o

5.

Inklinasi Perut

θH = 45o

6.

Inklinasi Paha

θT = 50o


Biomekanika 2016 a.

Telapak Tangan Fyw = Wo/2 + WH = 303,9 N MW = (Wo/2 + WH)

b.

*

SL1 * Cos θ1 = 19,99 = 20 Nm

Segmen Lengan Bawah Fye = Fyw + WLA= 314,95 N Me = MW + (WLA

*

 2 * SL2 * Cos θ2) + (Fyw

*

SL2

*

Cos θ2)

= 101,21 Nm c.

Segmen Lengan Atas Fys = Fye + WUA= 333,15 N Ms = Me + (WUA

*

 3 * SL3 * Cos θ3) + (Fye

*

SL3

*

Cos θ3)

*

SL4

*

Cos θ4)

= 118,03 Nm d.

Segmen Punggung Fyt = 2Fys + WT = 991,3 N Mt = 2Ms+ (WT

*

 4 * SL4 * Cos θ4) + (2Fys

= 461,1 Nm e. Gaya perut dan tekanan perut 10−4 [43 − 0,360(𝜃𝐻 + 𝜃𝑇 )] 𝑃𝐴 = [𝑀𝐿51,8 ] 75 𝑆1 𝑃𝐴 =

10−4 [43 − 0,360(45 + 50)] [461,11,8 ] 75

𝑃𝐴 = 0,73 N/cm2 FA = PA x AA FA = 339,45 Newton f. Gaya otot pada spinal erector : 𝑀𝐿5/𝑆1 − 𝐹𝐴 . D 𝐸 461,1 − 339,45 . 0,11 𝐹𝑀 = 0,05 𝐹𝑀 =

FM = 8475,21 N g. Gaya Tekan/kompresi pada L5/S1: Fc = Wtot * Cos θ4 + FA + FM Fc = 8836,71 N > 6400 N


Biomekanika 2016 Kesimpulan: Pekerjaan tersebut membahayakan bagi pekerja dan sebaiknya dilakukan perbaikan secara adimistasi dan teknis sehingga pekerja dapat bekerja dengan sehat tanpa mengalami cedera pada L5/S1 serta tujuan dan target perusahaan dapat tercapai.


Biomekanika 2016 F. TUTORIAL Alur pengerjaan tutorial Biomekanika seperti dijelaskan pada flowchart berikut:

Mulai Sesi Praktikum

Teori dalam kelas : 1. Penyampaian Materi 2. Post Test Penentuan Tempat Pengambilan data 1. Responden Kerja 2. Pengambilan Video Responden 3. screen capture dan penentuan sudut Data Yang dibutuhkan Terkumpul

Pengolahan Data Analisis Data No

Pengambilan Keputusan Konsuktasi kepada asisten

Acc Asisten Yes Pengumpulan Laporan


-What We Learn with Pleasure We Never Forget-

MODUL 2

www.labdske-uii.com

Fisiologi & Pengukuran Kerja

Recommend Documents