Biologi: Fluida dan Aliran Darah

Fluida

           Fluida adalah zat yang dapat mengalir, misalnya zat cair dan gas. Fluida dapat digolongkan dalam dua macam, yaitu fluida statis dan dinamis. Fluida juga merupakan sub-himpunan dari fase benda termasuk cairan, gas, plasma, dan padat plastik.Menurut ensiklopedia Sains dan kehidupan, fluida adalah zat cair atau dengan kata lain zat yang dapat mengalir. Contoh fluida adalah air, minyak goreng, udara, solar, getah, oli, lilin cair, minyak tanah, bensin, darah, dll. Dalam hal ini zat padat bukan termasuk dari golongan fluida karena tidak dapat mengalir. Fluida dapat berubah bentuk sesuai bentuk wadah penampang fluida. Oleh karena itu fuida selalu bekerja secara tegak lurus pada permukaan fluida. Gaya tersebut sering dikatakan dengan tekanan (p) fluida terhadap dinding wadah penampang. Adapun rumusnya adalah sebagai berikut :

P=∆F/∆A dengan satuan dalam SI adalah(N/m2) atau Pascal

Di sini ∆F adalah gaya yang bekerja pada elemen luas pada ∆A. Jika gaya yang bekerja pada suatu permukaan fluida adalah serba sama (uniform) atau merata maka tekanan fluida dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:

P=F/A

          Dalam fluida dikenal istilah “Tekanan Gauge” yang artinya adalah nilai atau besarnya tekanan. Tekanan gauge didefinisikan sebagai selisih antara tekanan fluida yang sebenarnya dengan tekanan udara. Tekanan fluida pada suatu titik dalam fluida memiliki nilai yang sama setiap arah.

          Fluida memiliki sifat tidak menolak terhadap perubahan bentuk dan kemampuan untuk mengalir (atau umumnya kemampuannya untuk mengambil bentuk dari wadah mereka). Sifat ini biasanya dikarenakan sebuah fungsi dari ketidakmampuan mereka mengadakan tegangan geser (shear stress) dalam ekuilibrium statik. Konsekuensi dari sifat ini adalah hukum Pascal yang menekankan pentingnya tekanan dalam mengkarakterisasi bentuk fluid. Dapat disimpulkan bahwa fluida adalah zat atau entitas yang terdeformasi secara berkesinambungan apabila diberi tegangan geser walau sekecil apapun tegangan geser itu.

Fluida dapat dikarakterisasikan sebagai:

•          Fluida Newtonian

•          Fluida Non-Newtonian

Hal ini bergantung dari cara "stress" bergantung ke "strain" dan turunannya. Fluida juga dibagi menjadi cairan dan gas. Cairan membentuk permukaan bebas (yaitu, permukaan yang tidak diciptakan oleh bentuk wadahnya), sedangkan gas tidak.

          Sebuah Fluida Newtonian (dinamakan dari Isaac Newton) didefinisikan sebagai fluida yang tegangan gesernya berbanding lurus secara linier dengan gradien kecepatan pada arah tegak lurus dengan bidang geser. Definisi ini memiliki arti bahwa fluida newtonian akan mengalir terus tanpa dipengaruhi gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Sebagai contoh, air adalah fluida Newtonian karena air memiliki properti fluida sekalipun pada keadaan diaduk.

Sebaliknya, bila fluida non-Newtonian diaduk, akan tersisa suatu "lubang". Lubang ini akan terisi seiring dengan berjalannya waktu. Sifat seperti ini dapat teramati pada material-material seperti puding. Peristiwa lain yang terjadi saat fluida non-Newtonian diaduk adalah penurunan viskositas yang menyebabkan fluida tampak "lebih tipis" (dapat dilihat pada cat). Ada banyak tipe fluida non-Newtonian yang kesemuanya memiliki properti tertentu yang berubah pada keadaan tertentu.

          Konstanta yang menghubungkan tegangan geser dan gradien kecepatan secara linier dikenal dengan istilah viskositas. Viskositas pada fluida Newtonian secara definisi hanya bergantung pada temperatur dan tekanan dan tidak bergantung pada gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Jika suatu fluida tidak memenuhi hubungan ini, fluida ini disebut fluida non-Newtonian.

Kaitan Fluida Dengan Tekanan Dan Aliran Darah Manusia

          Sebelum membahas struktur dan fungsi pembuluh darah secara detail, perlu untuk mempertimbangkan secara singkat beberapa sifat cairan dan prinsip-prinsip yang mengatur aliran cairan melalui pembuluh. Semua cairan (bila dalam ruang tertutup) mengerahkan tekanan. Tekanan hidrostatik merujuk pada gaya yang diberikan likuid oleh seseorang terhadap dinding wadahnya. Tekanan darah yang diberikannya dalam sistem vaskular dikenal sebagai tekanan darah.

          Tekanan bervariasi dengan ketinggian kolom cairan dan ini dapat diamati dalam pembuluh darah orang yang berdiri. Tekanan vena pada kaki yang jauh lebih besar daripada di kepala (ini, tentu saja, berkaitan dengan efek gravitasi). Pengaruh kerapatan terhadap tekanan hidrostatik ditunjukkan oleh fakta bahwa 1 mm air raksa (mm Hg) exerts tekanan yang sama seperti 13 mm air (mm H₂O) karena merkuri lebih dari 13 kali berat seperti air yang setara volume.

          Jika tekanan yang diberikan pada cairan yang terbatas, tekanan akan diteruskan sama di semua arah, ini dikenal sebagai prinsip Pascal Jika ada titik lemah dalam dinding wadah dan tekanan yang diberikan cukup besar, dinding kontainer bisa meledak.. Inilah yang terjadi ketika sebuah ledakan aneurisma terjadi.

Ketika seorang individu hipertensi, pembuluh darah mengeras atau mengalami perubahan sklerotik (arteriosclerosis) untuk mencegah pembuluh penuh dengan tekanan darah tinggi. ketidaklenturan wadah juga mempengaruhi tekanan hidrostatik yang berkembang, yakni jika wadah yang dapat dilembungkan, tekanan dalam cairan kurang dari dalam wadah yang kaku.

Tekanan darah bergantung pada:

-          volume darah di dalam pembuluh

-          compliance atau distensibilitas (daya regang pembuluh)

Tekanan darah sistemik terbesar di aorta & terendah di vena cava. Penurunan tekanan darah terjadi di arteriol yg tdp resistensi terbesar.

Tekanan darah arteri:

-          Tekanan sistolik: tekanan maksimum yg ditimbulkan di arteri

-          selama sistol

-          Tekanan diastolik: tekanan minimum di dalam arteri selama diastol

-          Tekanan nadi: selisih antara tekanan sistolik & tekanan diastolik;

-          dipengaruhi oleh isi sekuncup & kapasitas arteri.

-          Tekanan darah rata-rata (mean arterial pressure/ MAP):

-          merupakan gaya pendorong utama agar darah mengalir

Hubungan Aliran Darah, Tekanan Darah Rata-Rata dan Tahanan

1. Aliran darah: jumlah darah yg mengalir mll pembuluh, organ, atau sirkulasi pd wkt tertentu
2. Tekanan darah: gaya yg ditimbulkan oleh darah pd dinding pembuluh darah di suatu area tertentu
3. Tahanan: daya yang diberikan pembuluh untuk menahan aliran darah; ditentukan oleh viskositas darah, panjang, & diameter pembuluh darah
4.  Aliran darah (F) = Peredaran tekanan darah
5. Tahanan perifer (R)

ARUS FLUIDA

Aliran fluida melalui pembuluh darah ditentukan oleh perbedaan tekanan antara kedua ujung pembuluh dan juga resistensi terhadap aliran.

PERBEDAAN TEKANAN

Untuk setiap cairan yang mengalir di sepanjang pembuluh harus ada perbedaan tekanan fluida sehingga dinyatakan tidak akan bergerak. Dalam sistem kardiovaskular tekanan darah atau gaya yang dihasilkan oleh pemompaan jantung ada penurunan terus-menerus dalam tekanan dari ventrikel kiri jantung ke jaringan dan juga dari jaringan kembali ke atrium kanan jantung. Tanpa penurunan tekanan darah ini, darah tidak akan mengalir di sekitar sistem peredaran darah.

KEDAP ATAS ARUS

Resistensi adalah ukuran kemudahan fluida yang akan mengalir melalui tabung, yakni semakin mudah, semakin sedikit resistensi terhadap aliran, dan sebaliknya.Dalam sistem peredaran darah perlawanan biasanya digambarkan sebagai resistensi vaskular, seperti terutama berasal dari pembuluh darah perifer, sehingga hanya dikenal sebagai resistensi perifer. Perlawanan ini tergantung pada viskositas cairan, jari-jari dan, panjang tabung. Resistensi pada dasarnya adalah ukuran dari gesekan antara molekul cairan, dan antara dinding tabung dan cairan

RADIUS DARI TUBE (PEMBULUH DARAH)

Semakin kecil radius pembuluh, semakin besar perlawanan terhadap gerakan partikel ini sehingga hasil resistensi meningkat dari kemungkinan yang lebih besar pada partikel fluida yang bertabrakan dengan dinding pembuluh. Ketika sebuah partikel bertabrakan dengan dinding, beberapa partikel energi kinetik (energi gerak) hilang dampaknya, sehingga dapat memperlambat aliran partikel darah. Dengan demikian, dalam sebuah diameter pembuluh darah yang lebih kecil, akan ada lebih banyak tabrakan dan penurunan pada kadar energi dan kecepatan dari partikel-partikel darah yang bergerak melalui pembuluh. Hal ini mengakibatkan penurunan tekanan hidrostatik

Perubahan kecil dalam ukuran jari-jari pembuluh darah, terutama dari pinggiran pembuluh yang lebih lanjut, dapat sangat mempengaruhi aliran darah. Perubahan pada dinding arteri besar menyebabkan penyempitan lumen pembuluh dan mengakibatkan peningkatan resistensi pembuluh darah

PANJANG TUBE (PEMBULUH)

Semakin panjang pembuluh, semakin besar perlawanan terhadap aliran cairan darah. Sebuah pembuluh akan memerlukan tekanan yang lebih besar untuk memaksa volume tertentu melalui cairan darah daripada sebuah pembuluh yang lebih pendek. Namun, panjang pembuluh darah dalam tubuh tidak berubah secara signifikan dan panjang keseluruhan adalah dijaga minimal karena sirkuit paralel dalam sirkulasi sistemik.

TENTANG VISKOSITAS FLUIDA

Viskositas adalah ukuran atau internal antarmolekul gesekan dalam fluida atau, dengan kata lain, dari kecenderungan cairan untuk melawan arus. Tingkat aliran berbanding terbalik dengan viskositas, yaitu semakin besar viskositas fluida, semakin besar gaya yang dibutuhkan untuk memindahkan cairan itu. Dengan demikian, perubahan viskositas darah mempengaruhi alirannya.

Biasanya viskositas darah cukup konstan, tetapi pada polisitemia, di mana ada sel konten merah meningkat, viskositas darah bisa ditingkatkan dan berkurangnya aliran darah. Dehidrasi yang parah, dimana ada kehilangan plasma, juga dapat menyebabkan viskositas meningkat. Pendinginan darah juga bisa meningkatkan viskositasnya.

Sifat lapisan pipa atau pembuluh juga mempengaruhi aliran cairan jalan. Jika lapisan pembuluh darah halus, cairan akan mengalir merata. Hal ini dikenal sebagai merampingkan atau aliran laminar. Namun, jika lapisan, kasar, tidak rata atau cairan mengalir tidak teratur, aliran turbulennya sudah diatur. Laminar flow adalah ciri khas sebagian besar dari sistem vaskular yang bersifat diam, sedangkan aliran turbulen dapat didengar, misalnya selama pengukuran tekanan darah dengan sphygmomanometer. Kadang-kadang diperlukan untuk mengukur aliran darah pada pasien dan ini biasanya hanya untuk mengukur kuantitas darah yang melewati titik tertentu dalam sirkulasi selama jangka waktu tertentu.

Salah satu metode yang digunakan dalam situasi klinis adalah dengan memakai suatu flowmeter ultrasonik yang diterapkan pada permukaan kulit melalui pembuluh darah. Ini memanfaatkan efek Doppler (pergeseran dalam frekuensi gelombang ultrasonik ketika mereka terpantul bergerak sel darah). Ini merupakan non-invasif dan metode yang berguna untuk menilai kondisi pembuluh darah perifer, penyakit pembuluh darah perifer atau setelah operasi vaskuler misalnya.

STRUKTUR INTERAKSI DI ALIRAN DARAH

Studi aliran cairan kental mampat melalui compliant tabung memiliki banyak aplikasi. Salah satu aplikasi utamanya adalah aliran darah melalui arteri manusia. Memahami propagasi gelombang pada dinding arteri, lokal hemodinamik dan temporal gradien tegangan dinding penting dalam mekanisme yang mengarah ke berbagai komplikasi fungsi kardiovaskular.

Banyak perawatan klinis dapat dipelajari secara rinci hanya jika model handal menggambarkan respons dinding arteri ke darah yang alirannya berdenyut dipertimbangkan. Telah diterima dengan baik bahwa pada arteri darah dari menengah sampai besar bisa dimodelkan sebagai mampat, fluida Newtonian kental.

Walaupun darah adalah suspensi sel darah merah, sel darah putih, dan trombosit di dalam plasma, suspensi ini adalah Non-Newtonian alam karena reologi tertentu relevan dalam arteri (arteriol) dan kapiler di mana diameter arteri menjadi sebanding dengan ukuran sel. Pada arteri yang menengah hingga besar, seperti arteri koroner (menengah) dan aorta perut (besar), persamaan Navier-Stokes untuk suatu fluida viskos inkompresibel dianggap sebagai model yang baik untuk aliran darah.

GAMBARAN MODEL DINDING PEMBULUH DARAH

Merancang model yang akurat untuk perilaku mekanik dinding arteri lebih rumit. Arteri bersifat anisotropik dan heterogen, memiliki lapisan dengan karakteristik biomekanik yang berbeda . Berbagai model yang berbeda telah diusulkan dalam literatur untuk model perilaku mekanik arteri . Mulai dari penjelasan rinci tentang masing-masing lapisan gambaran rata-rata respon mekanik total dari dinding pembuluh, asumsi homogen, dan perilaku elastis linier.

Untuk mempelajari coupling antara gerakan dinding pembuluh dan denyut aliran darah, penjelasan rinci tentang properti biomekanik dinding pembuluh dapat menyebabkan masalah matematika dan numerik yang kompleksitas di luar kemampuan komputasi hari ini. Ketidaklinieran dari yang mendasari struktur interaksi fluida begitu parah sehingga bahkan sebuah deskripsi yang disederhanakan dari pembuluh dinding mekanik menyebabkan asumsi perilaku elastis linear homogenior yang mengarah pada algoritma numerik rumit dengan menantang stabilitas dan konvergensi properti. Untuk menyusun model matematika yang akan mengarah ke masalah yang setuju dengan metode komputasi numerik menghasilkan solusi dalam kerangka waktu yang wajar dan berbagai penyederhanaan yang perlu dihasilkan.

Ini dapat didasarkan pada asumsi model yang menyederhanakan dari peran penting fisika untuk sebagian besar masalah dan / atau pada penyederhanaan yang memanfaatkan fitur masalah khusus, seperti geometri khusus, simetri, dan periodisitas. Suatu hal umum bila ada asumsi yang menyatakan bahwa peran fisika sangat penting dalam deskripsi sifat mekanik arteri dinding termasuk homogenitas material dengan perpindahan dan gradien deformasi kecil yang mengarah ke hipotesis elastisitas linier. Selain itu sangat umum bila ada masalah khusus yang mengarah pada proses penyederhanaan model termasuk pembuluh dinding tebal yang kecil, sehingga memungkinkan pengurangan dari 3D-model untuk 2D model shell, dan geometri silinder bagian dari arteri di mana tidak ada percabangan hadir. Hal ini memungkinkan penggunaan model shell silindris.

Mengabaikan kekakuan lentur arteri dan, mengurangi model tertentu ke model membran. penyederhanaan lebih lanjut termasuk aksial simetri dari beban yang diberikan oleh aliran darah ke dinding pembuluh yang silinder di bagian lurus kira-kira mengarah ke model aksial simetris dengan potensi penurunan lebih lanjut untuk 1D model. Model Satu-dimensi, meskipun pendekatan pertama yang baik terhadap masalah yang mendasari, dari beberapa kelemahannya mereka tidak tertutup (sebuah ad hoc kecepatan profil perlu diresepkan untuk mendapatkan sistem tertutup persamaan), dan persamaan model quasilinear hiperbolik, biasanya menghasilkan solusi gelombang kejut , tidak diamati pada manusia sehat. Secara khusus dinding geser, tegangan dihitung dengan menggunakan model dimensi satu yang merupakan konsekuensi dalam bentuk dari profil kecepatan yang ditentukan. Struktur model dua dimensi dan tiga dimensi dari cairan-antar-aksi antara fluida mampat aliran viskos dan gerakan dari membran elastis linier silinder agak rumit. Sering kali, model internasional ad hoc pada viskoelastik ditambahkan ke model dinding pembuluh untuk memberikan stabilitas dan konvergensi dari algoritma numerik yang mendasari atau untuk memberikan keteraturan cukup sebagai bukti adanya solusi dengan demikian menunjukkan penyelesaian baik dari yang mendasari masalah.

Perilaku Viscoelastis atau dengan istilah yang menggambarkan menekuk (fleksi) kekakuan pada kulit elastis atau pelat. Bahkan, Iklan literatur mengenai penyelesaian yang baik dari-struktur interaksi fluida antara kental fluida Newtonian mampat dan struktur viskoelastik termasuk banyak asumsi penyederhanaan tambahan, seperti kecilnya data, kondisi batas periodik atau aliran dalam rongga tertutup tidak cocok untuk aplikasi aliran darah. Dengan demikian, struktur interaksi fluida dalam menggambarkan masalah-aliran darah di compliant (elastis atau viskoelastik) arteri masih merupakan masalah terbuka

Dengan mengabaikan ketentuan bahwa perhitungan untuk kekakuan lentur dari dinding pembuluh dan / atau kental mungkin berarti menyederhanakan fisika, sehingga menimbulkan masalah yang mungkin tidak punya solusi. Menjaga ini dalam pikiran, kita beralih ke teori / viskoelastik kerang elastis untuk model sifat mekanik dinding arteri. ini akan dianggap bahwa dinding pembuluh yang homogen memiliki ketebalan dinding kecil dibandingkan dengan jari-jari pembuluh, dan bahwa dalam keadaan stres di sekitar pesawat, memungkinkan kita untuk mempertimbangkan teori shell. Persamaan teori shell telah diperoleh oleh banyak penulis. Karena variasi dalam pendekatan dan kekakuan, berbagai persamaan yang terjadi dalam literatur sangatlah berlimpah. Di antara semua persamaan shell teori, persamaan shell Koiter tampaknya paling sederhana dan konsisten pada pendekatan pertama dalam teori umum shell elastis tipis. Dalam tambahan, mereka telah matematis dibenarkan menggunakan metode asimtotik agar konsisten dengan tiga-dimensi elastisitas. Ini menunjukkan bahwa model shell Koiter memiliki perilaku asimtotik yang sama seperti tiga-dimensi membran model, model membungkuk, dan model membran umum di mana masing-masing memegang semua itu.

Sumber:http://ambarwati-ambarunisa.blogspot.com/2011/06/implementasi-fisika-fluida-dengan.htmlANUSIA