Fisiologi & Pengukuran Kerja

Transkripsi

1 Fisiologi & Pengukuran Kerja tutorial 2 BIOMEKANIKA Prodi Teknik Industri Fakultas Teknologi Industri Universitas Islam Indonesia Tahun Ajaran 2016/2017 MODUL 2

2 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

3 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., Occupational Biomechanics, Wiley New York. Nurmianto, E., 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., Teknik Tata Cara Kerja. ITB, Bandung. Tayyari, F. & Smith, J.L., Occupational ergonomics: Principles and applications, Chapman & Hall. Waters, T., Applications manual for the revised NIOSH lifting equation, DHHS (NIOSH) Publication No , 32. Winter, D.A., Biomechanics of human movement, Wiley New York. Laboratorium Desain Sistem Kerja & Ergonomi 2

4 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 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: Laboratorium Desain Sistem Kerja & Ergonomi 3

5 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) Laboratorium Desain Sistem Kerja & Ergonomi 4

6 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. Laboratorium Desain Sistem Kerja & Ergonomi 5

7 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% 1,7% 0,6% 10,0% 8,4% 6,2% 2,2% 4,3% 50,0% 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. Laboratorium Desain Sistem Kerja & Ergonomi 6

8 1. Telapak tangan Fyw Fxw ΣFy = 0 Mw 1 SL1 ΣFx = 0 -- tidak ada gaya 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 Fxe Fye ΣFx = 0 -- tidak ada gaya horizontal. Me θ2 λ2 SL2 ΣM = 0 λ2 = 43% -Fxw WLA = 1,7% x Wbadan WLA -Fyw -Mw Fye = Fyw + WLA Me = Mw + (WLA x λ2 x SL2 x cosθ2) + (Fyw x SL2 x cos θ2) Laboratorium Desain Sistem Kerja & Ergonomi 7

9 3. Lengan Atas Fxs Ms Fys θ3 λ3 SL3 ΣFy = 0 ΣFx = 0 -- tidak ada gaya horizontal. ΣM = 0 λ3 = 43,6% -Fxe WUA = 2,8% x Wbadan WUA -Fye -Me Fys = Fye + WUA Ms = Me + (WUA x λ3 x SL3 x cosθ3) + (Fye x SL3 x cos θ3) NB :Gaya pada lengan atas dikalikan dua (kanan dan kiri) 4. Punggung λ4 SL4 - Fys -Ms -Fxs ΣFy = 0 ΣFx = 0 -- tidak ada gaya horizontal. ΣM = 0 λ4 = 67% WT = 50% x Wbadan Fxt Mt Fxt θ4 WT 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. Fyt = 2Fys + WT Mt = 2Ms + (WT x λ4 x SL4 x cos θ4) + (2Fys x SL4 x cos θ4) Laboratorium Desain Sistem Kerja & Ergonomi 8

10 Untuk menghitung gaya tekan pada L5/S1 perlu menghitung total gaya yang terjadi yang dapat dirumuskan sebagai berikut: Wtot Keterangan: Wtot Wo WH WLA WUA Wt = Wo +2 WH + 2 WLA+ 2 WUA + Wt... (i) = total gaya yang terjadi (Newton) = berat objek (Newton) = berat telapak tangan (Newton) = berat lengan bawah (Newton) = berat lengan atas (Newton) = berat punggung (Newton) Untuk mencari Gaya Perut (FA), maka perlu dicari Tekanan Perut (PA) dengan persamaan: PA = 10 4 [43 0,360(θ H +θ T )] 75 [ML5 1,8 ]... (ii) S1 FA = PA x AA... (iii) Keterangan: PA = Tekanan Perut (N/cm 2 ) FA = Gaya Perut (Newton) AA = Luas Diafragma (465 cm 2 ) θh θt = Sudut inklinasi perut = Sudut inklinasi paha Gaya otot pada spinal erector dirumuskan sebagai berikut (Chaffin, 1991): F M = M L5/S1 F A.D... (iv) E FM E M(L5/S1) FA = Gaya otot pada Spinal Erector (Newton) = Panjang Lengan momen otot spinal erector dari L5/S1 (estimasi 0,05 m; sumber Nurmianto, 1996) = MT = Momen resultan pada L5/S1 = Gaya Perut (Newton) D = Jarak dari gaya perut ke L5/S1 (0,11 m; sumber Nurmianto, 1996) Laboratorium Desain Sistem Kerja & Ergonomi 9

11 Kemudian gaya tekan/kompresi pada L5/S1 dirumuskan sebagai berikut: Fc = Wtot. cos 4 FA + FM... (v) Keterangan: FC Wtot θ4 = gaya tekan pada segmen L5/S1 (Newton) = berat total (Newton) = 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) Laboratorium Desain Sistem Kerja & Ergonomi 10

12 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) Laboratorium Desain Sistem Kerja & Ergonomi 11

13 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 = 20 o, jarak pergelangan tangan-siku = 0,28 m, θ2 = 20 o, jarak siku-bahu = 0,3 m, θ3 = 80 o, jarak bahu ke L5/S1 = 0,36 m, θ4 = 45 o. sudut inklinasi perut 45 o, sudut inklinasi paha 50 o. Hitunglah gaya tekan pada L5/S1 tersebut! Penyelesaian : Wo = m * g = 60 * 10 = 600 N Wbadan = m * g = 65 * 10 = 650 N WH WLA WUA WT = 0,6 % Wbadan = 0,6% * 650 = 3,9 N = 1,7 % Wbadan = 1,7% * 650 = 11,05 N = 2,8 % Wbadan = 2,8% * 650 = 18,2 N = 50 % Wbadan = 50% * 650 = 325 N Sehingga, WTOT = Wo + 2WH + 2WLA + 2WUA + WT = 991,3 N 2 = 0.43 D = 0.11 m 3 = AA = 465 cm 2 4 = 0.67 E = 0,05 m No Segmentasi Tubuh Panjang (m) Sudut (derajat) 1. Telapak tangan SL1 = 0,07 20 o 2. Lengan bawah SL2 = 0,28 20 o 3. Lengan Atas SL3 = 0,30 80 o 4. Punggung SL4 = 0,36 45 o 5. Inklinasi Perut θh = 45 o 6. Inklinasi Paha θt = 50 o Laboratorium Desain Sistem Kerja & Ergonomi 12

14 a. Telapak Tangan Fyw = Wo/2 + WH = 303,9 N MW = (Wo/2 + WH) * SL1 * Cos θ1 = 19,99 = 20 Nm b. 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) = 118,03 Nm d. Segmen Punggung Fyt = 2Fys + WT = 991,3 N Mt = 2Ms+ (WT * 4 * SL4 * Cos θ4) + (2Fys * SL4 * Cos θ4) = 461,1 Nm e. Gaya perut dan tekanan perut PA = 10 4 [43 0,360(θ H + θ T )] 75 [M 1,8 L5 ] S1 PA = 10 4 [43 0,360( )] [461,1 1,8 ] 75 PA = 0,73 N/cm 2 FA = PA x AA FA = 339,45 Newton f. Gaya otot pada spinal erector : F M = M L5/S1 F A. D E 461,1 339,45. 0,11 F M = 0,05 FM = 8475,21 N g. Gaya Tekan/kompresi pada L5/S1: Fc = Wtot * Cos θ4 + FA + FM Fc = 8836,71 N > 6400 N Laboratorium Desain Sistem Kerja & Ergonomi 13

15 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. Laboratorium Desain Sistem Kerja & Ergonomi 14

16 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 Pengambilan Keputusan No Konsuktasi kepada asisten Acc Asisten Yes Pengumpulan Laporan Laboratorium Desain Sistem Kerja & Ergonomi 15

17 -What We Learn with Pleasure We Never Forget- MODUL 2