ANALISIS FISIKA TERBENTUKNYA BAYANGAN PADA MATA

Transkripsi

1 P-ISSN: Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika Al-BiRuNi 04 (2) (2015) E-ISSN: X ANALISIS FISIKA TERBENTUKNYA BAYANGAN PADA MATA Widya Wati Program Studi Pendidikan Fisika IAIN Raden Intan Lampung Abstrak: Mata merupakan alat indra yang penting bagi tubuh. Melalui mata seorang manusia dapat melihat. Proses melihat benda yang dilakukan oleh mata dapat dianalisa secara fisika dalam bidang ilmu optik. Indra penglihatan terdiri dari tiga komponen utama: (1) mata yang memfokuskan bayangan dari dunia luar ke retina peka-cahaya, (2) sistem jutaan saraf yang menyalurkan informasi jauh ke dalam otak dan (3) koreks penglihatan, bagian dari otak tempat semua dipadukan. Fisika berperan pada ketiganya, tetapi fisika bagian pertama jauh lebih dipahami daripada fisika dua bagian yang terakhir. Oleh sebab itu dalam artikel ini pembahasan difokuskan analisis fisika terbentuknya bayangan pada mata. Dengan melakukan pendekatan fisika optik dapat ditentukan bagaimana posisi jatuhnya bayangan pada retina mata, dan berikut kelainan-kelainan yang terjadi pada mata sehingga dapat ditentukan lensa yang sesuai. Pada mata normal bayangan akan jatuh tepat pada retina mata. Untuk penderita rabun jauh bayangan jatuh di belakang retina sehingga untuk membantu melihat nornmal harus dibantu dengan lensa positif. Sedangkan untuk penderita rabun dekat, bayangan jatuh di depan retina, sehingga harus dibantu dengan lensa negatif. Kata Kunci: mata, pembentukan bayangan PENDAHULUAN Mata menjadi alat optik yang paling penting pada manusia atau makhluk hidup. Sebagian besar pengetahuan kita tentang dunia di sekeliling kita didapat melalui mata. Perasaan tidak berdaya yang muncul saat kita terperangkap dalam kegelapan di lingkungan yang asing merupakan petunjuk kuat akan ketergantungan kita pada penglihatan. Indra penglihatan terdiri dari tiga komponen utama: (1) mata yang memfokuskan bayangan dari dunia luar ke retina peka-cahaya (gambar 1), (2) sistem jutaan saraf yang menyalurkan informasi jauh ke dalam otak dan (3) koreks penglihatan, bagian dari otak tempat semua dipadukan. Kebuataan terjadi apabila salah satu dari ketiganya tidak berfungsi. Fisika berperan pada ketiganya, tetapi fisika bagian pertama jauh lebih dipahami daripada fisika dua bagian yang terakhir. Gambar 1. Komponen utama indra penglihatan

2 286 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika Al-BiRuNi 04 (2) (2015) Walaupun mata memiliki banyak kemiripan dengan kamera, namun lebih banyak persamaan yang terdapat antara mata dan sistem TV berwarna sirkuit tertutup. Lensa kamera TV analog dengan kornea dan lensa mata; kabel sinyal adalah saraf optikus, dan monitor pemantau adalah korteks penglihatan. Saat cahaya terang kita melihat bendabenda dalam warna yang hidup. Pada cahaya temaram mata bekerja seperti kamera TV hitam putih seper peka yang memungkinkan kita melihat benda dengan cahaya kurang dari 0,1 % dari yang kita butuhkan untuk melihat warna. Perbedaan sensitivitas yang besar ini analog dengan perbedaan antara film hitam-putih kecepatan tinggi yang sensitive dan film berwarna yang jauh kurang sensitive yang kita gunakan dikamera. KAJIAN PUSTAKA 1. Bagian-bagian mata Bagian-bagian mata dapat dilihat pada gambar berikut ini: Gambar 2. Struktur anatomi mata a. Sklera (bagian putih mata): merupakan lapisan luar mata berupa selubung berserabut putih dan relatif kuat. b. Konjungtiva: selaput tipis yang melapisi bagian dalam kelopak mata dan bagian luar sklera. c. Kornea: struktur transparan yang menyerupai kubah, merupakan pembungkus dari iris, pupil dan bilik

3 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika Al-BiRuNi 04 (2) (2015) anterior serta membantu memfokuskan cahaya. Memiliki diameter sekitar 12 mm dan jari-jari kelengkungan sekitar 8 mm. d. Lapisan koroid: lapisan tipis di dalam sklera yang berisi pembuluh darah dan suatu bahan pigmen, tidak menutupi kornea. e. Pupil: daerah hitam di tengah-tengah iris. f. Iris: jaringan berwarna yang berbentuk cincin, menggantung di belakang kornea dan di depan lensa; berfungsi mengatur jumlah cahaya yang masuk ke mata dengan cara merubah ukuran pupil. g. Lensa: struktur cembung ganda yang tergantung diantara humor aqueus dan vitreus; berfungsi membantu memfokuskan cahaya ke retina. h. Retina: lapisan jaringan peka cahaya yang terletak di bagian belakang bola mata, berfungsi mengirimkan pesan visuil melalui saraf optikus ke otak. Retina terbagi menjadi 10 lapisan dan memiliki reseptor cahaya aktif yaitu sel batang dan sel kerucut pada lapisan ke-9. i. Saraf optikus: kumpulan jutaan serat saraf yang membawa pesan visuil dari retina ke otak. j. Bintik buta: cakram optik yang merupakan bagian fovea dekat hidung, merupakan tempat percabangan serat saraf dan pembuluh darah ke retina, tidak mengandung sel batang ataupun kerucut, terletak pada region sekitar 3. k. Humor aqueous: cairan jernih dan encer yang mengalir di antara lensa dan kornea (mengisi segmen anterior mata), serta merupakan sumber makanan bagi lensa dan kornea; dihasilkan oleh prosesus siliaris. l. Humor vitreous: gel transparan / cairan kental yang terdiri dari bahan berbentuk serabut, terdapat di belakang lensa dan di depan retina (mengisi segmen posterior mata) 2. Sistem optik mata Sistem optik mata memiliki ciri khusus sebagai berikut, sebagian besar tidak didapatkan bahkan pada kamera paling mahal sekalipun. a. Mata dapat mengamati kejadian pada sudut yang sangat besar selagi memandang sebuah benda yang terletak tepat didepannya secara cermat (gambar 3)

4 288 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika Al-BiRuNi 04 (2) (2015) Gambar 3. Mata yang melihat lurus ke depan memiliki sudut penglihatan yang besar b. Berkedip merupakan alat pembersih dan pelumas built-in (terpasang tetap dan siap pakai) bagi lensa depan (kornea). c. Terdapat sistem pemfokusan otomatis cepat yang memungkinkan kita melihat benda sampai sedekat 20 cm (sekitar 8 in) dalam satu detik dan kemudian melihat benda jauh. Pada keadaan rileks, focus untuk mata normal terpasang untuk jarak tak terhingga (melihat jauh d. Mata dapat bekerja secara efektif menerima cahaya dengan rentang intensitas yang sangat lebar, yaitu sekitar 10 milyar berbanding satu (10 10 :1), siang hari yang terik sampai malam gulita. e. Mata memiliki sistem penyesuaian bukaan lensa yang otomatis (iris) f. Kornea memiliki penghapus goresan yang built-in; walaupun tidak dapat pasokan darah, kornea terdiri dari selsel hidup dan dapat memperbaiki kerusakan lokal g. Mata memiliki sistem pengendali tekanan otomatis yang mempertahankan tekanan internalnya sekitar 1,6 kpa (12mmHg) sehingga bentuk bola mata dapat dipertahankan. Apabila penyok, mata dengan cepat kembali ke bentuknya semula. h. Mata terletak di wadah yang terlindung kuat yang hamper seluruhnya diliputi tulang. Masingmasing mat bersandar pada bantalan lemak yang meredam goncangan keras i. Bayangan tampak terbalik di retina peka-cahaya di bagian belakang bola mata tetapi otak secara otomatis mengoreksi hal ini

5 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika Al-BiRuNi 04 (2) (2015) Gambar 4. Indra penglihatan dalam banyak hal serupa dengan sistem TV berwarna sirkuit tertutup. Indra penglihatan lebih unggul di segala aspek kecuali kemudahan pemasangannya j. Otak memadukan bayangan dari kedua mata sehingga kita memiliki persepsi kedalaman yang baik dan penglihatan tiga dimensi sejati. Apabila penglihatan diri salah satu mata lenyap, penglihatan dari mata yang tersisa masih memadai untuk sebagian besar kebutuhan k. Otot mata memungkinkan mata bergerak fleksibel ke atas dank e bawah, ke samping, dan secara diagonal. Setelah sedikit latihan, mata bahkan dapat dibuat bergerak melingkar Gambar 5. Enam otot mata kenan memungkinkan mata melakukan beragam gerakan. Otot-otot bekerja berpasangan: satu pasang mengendalikan gerakan ke atas dan ke bawah (U-D), satu pasang mengendalikan gerakan ke kiri dank e kanan (L-R) dan satu pasang mengendalikan gerakan rotasi (R ). Otot rotasi berjalan melewati lengkung tulang. Keenam otot melekat ke tengkorak di belakang mata

6 290 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika Al-BiRuNi 04 (2) (2015) Mekanime Penglihatan dan Pembentukan Bayangan pada Mata Sistem optik yang paling penting bagi manusia adalah mata. Di depan lensa mata terdapat selaput yang membentuk suatu celah lingkaran. Selaput inilah yang disebut iris dan berfungsi memberi warna pada mata. Celah lingkaran disebut pupil. Lebar pupil dikendalikan oleh iris sesuai dengan intensitas cahaya yang mengenainya. Jumlah cahaya yang memasuki mata dikendalikan oleh iris. Iris mengatur ukuran biji mata, sedang tebal lensa dikendalikan oleh otot siliari. Kornea mata adalah bagian depan mata memiliki lengkung yang lebih tajam yang dilapisi oleh selaput bening. Di belakang kornea terdapat cairan (aqueous humor). Cairan ini berfungsi untuk membiaskan cahaya yang masuk ke dalam mata. Di bagian yang lebih dalam lagi terdapat lensa yang dibuat dari bahan bening, berserat dan kenyal. Lensa inilah disebut lensa mata/ lensa kristalin. Cahaya memasuki mata melalui iris menembus biji mata, dan oleh lensa difokuskan sehingga jatuh ke retina atau selaput jala. Retina adalah lapisan serat saraf yang menutupi bagian belakang. Retina mengandung struktur indracahaya yang sangat halus disebut batang dan kerucut dan memancarkan informasi yang diterima saraf optik dan dikirim ke otak. Apabila kita ingin melihat benda yang jauh letaknya maka otot siliari akan mengendor dan berakibat sistem lensa kornea berada pada panjang focus maksimumnya yaitu kira-kira 2,5 cm (jarak dari kornea ke retina). Bila letak benda didekatkan maka otot siliari akan meningkatkan kelengkungan lensa sehingga mengurangi panjang fokusnya dan bayangan akan difokuskan ke retina. Proses perubahan kelengkungan lensa inilah yang disebut akomodasi. Jarak terdekat (posisi benda di depan mata) dimana lensa memfokuskan cahaya yang masuk tetap jatuh di retina disebut titik dekat. Jika benda lebih didekatkan ke mata maka lensa tidak dapat memfokuskan cahaya. Cahaya yang masuk tidak jatuh di retina maka bayangan menjadi kabur. Posisi titik dekat ini beragam dari satu orang ke orang yang lain dan berubah dengan meningkatnya usia. Sebagai contoh, seseorang yang usianya 10 tahun maka titik dekatnya dapat sekitar 7 cm di depan mata, sedang seseorang yang usianya 60 tahun maka titik dekatnya dapat sekitar 200 cm.

7 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika Al-BiRuNi 04 (2) (2015) Bagaimana proses pembentukan bayangan di retina jika mata kita melihat suatu benda? Proses pembentukan bayangan di retina ditunjukkan pada Gambar 6. Gambar 6. Proses Pembentukan bayangan di retina Benda yang tingginya y terletak pada jarak S 1 maka tampak kecil karena bayangan yang terbentuk di retina kecil dengan tinggi bayangan y. Bayangan yang ditangkap di retina adalah nyata, terbalik, dan diperkecil. Otak kitalah yang menerjemahkan sehingga kalau kita melihat suatu benda maka kita dapat melihat seolah-olah bayangan tegak dan tidak terbalik. 4. Refraksi Mata Sistem lensa mata yang positif menyebabkan terkumpulnya sinar hasil pembiasan pada retina. Posisi bintik kuning retina sendiri terletak pada garis median dari sistem lensa mata. Bila sinar datang sejajar sumbu utama akan dibelokan melalui jari-jari lensa, sedangkan bila sinar datang melalui pusat kelengkungan lensa akan diteruskan dan bila sinar datang dari arah selain itu akan dibelokan sejajar sumbu utama. Gambar 7. Bentuk refraksi sinar pada mata

8 292 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika Al-BiRuNi 04 (2) (2015) Konvergensi tepat pada retina hanya diperoleh bila benda yang dilihat berada 6 meter atau lebih jauhnya dari mata. Bila jarak benda kurang dari 6 meter, maka konvergensi berkurang dan bayangan yang terbentuk tidak tepat pada retina. Jarak 6 meter adalah jari-jari kelengkungan lensa mata, sehingga benda harus berada di ruang 3 agar bayangan yang terbentuk tepat pada retina. Semakin jauh jarak benda, semakin jelas bayangan yang terbentuk. semacam ini dapat diatasi dengan memasang lensa positif atau kaca mata berlensa cembung (positif). Kacamata berlensa cembung membantu cahaya pembentuk bayangan tetap jatuh di retina. Proses pembentukan bayangan di retina pada orang yang menderita rabun jauh ditunjukkan pada Gambar Kelainan Refraksi Jika kemampuan otot siliar untuk mengatur kelengkungan lensa mata kurang maka dapat berakibat lensa mata kurang cembung. Hal ini mengakibatkan cahaya pembentuk bayangan yang terbentuk akan jatuh di belakang retina seperti ditunjukkan pada Gambar 8. Gambar 9. Proses pembentukan bayangan di retina pada orang yang menderita rabun jauh dengan bantuan lensa positif Di lain pihak, jika kemampuan otot siliari terlalu kuat dan berakibat lensa mata terlalu cembung maka bayangan yang terbentuk akan jatuh di depan retina, seperti ditunjukkan pada gambar 10. Gambar 8. Proses pembentukan bayangan yang terbentuk di belakang retina pada orang yang menderita rabun jauh Orang yang mempunyai kelainan seperti ini disebut rabun jauh. Kelainan Gambar 10. Proses pembentukan bayangan yang terbentuk di depan retina pada orang yang menderita rabun dekat

9 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika Al-BiRuNi 04 (2) (2015) Orang yang mempunyai kelainan seperti ini disebut rabun dekat. Kelainan semacam ini dapat diatasi dengan memasang lensa negatif atau memakai kaca mata berlensa cekung (negatif). Kacamata berlensa cekung membantu cahaya pembentuk bayangan benda tetap terbentuk di retina. Proses pembentukan bayangan di retina pada orang yang menderita rabun dekat ditunjukkan pada Gambar 11. Gambar 11. Proses pembentukan bayangan di retina pada orang yang menerita rabun dekat memakai lensa negatif 6. Retina Sebagai Detektor Cahaya Retina, bagian mata yang peka cahaya, mengubahbayangan cahaya menjadi impuls listrik saraf yang dikirim ke otak. Walaupun peran retina mirip dengan film pada sebuah kamera, namun analogi yang lebih baik adalah retina dan bagian peka cahaya dari kamera TV. Tidak seperti film, retina tidak perlu diganti karena terdapat sistim uilt-in yang menyalurkan zat-zat kimia peka cahaya yang mengubah cahaya menjadi impuls listrik saraf. Penyerapan suatu foton cahaya oleh sebuah fotoreseptor memicu timbulnya sinyal listrik ke otak-suatu potensial aksi. Energy foton adalah sekitar 3 ev, potensial aksi memiliki energy jutaan kali lebih besar. Foton cahaya tampaknya menimbulkan suatu reaksi fotokimia di fotoreseptor yang melalui suatu cara memicu timbulnya potensi aksi. Foton harus diatas energy minimum untuk dapat menimbulkan reaksi. Energi foton inframerah kurang memadai sehingga tidak terlihat. Foton ultraviolet memiliki energy yang memadai, tetapi foton ini diserap sebelum mencapai retina sehingga tidak terlihat. Retina menutupi seluruh belakang bola mata. Walaupun sifat retina yang luas ini bermanfaat untuk memberikan penglihatan peringatan dari sudut yang besar, namun sebagian besar penglihatan terbatas ke suatu daerah kecil yang disebut macula lutea, atau bintik kuning. Semua penglihatan tajam berlangsung di bagian yang sangat kecil di bintik kuning (diameter sekitar 0,3 mm) yang disebut fovea sentralis. Bayangan pada retina sangatlah kecil. Persamaan untuk menentukan ukuran bayangan di retina dapat diperoleh dengan menggunakan rasio panjang sisi segitiga sebangun. O adalah ukuran benda, I ukuran bayangan, P jarak benda, dan Q jarak bayangan, biasanya

10 294 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika Al-BiRuNi 04 (2) (2015) sekitar 0,02 m (2 cm). oleh karena itu, kita dapat menulis O/P= I/Q atau O/I= P/Q. karenanya I= (Q/P)O. Misalnya seekor lalat memiliki diameter 3 mm (0,003m) dan jarak bayangan untuk mata normal dapat dianggap Q = 0,02 m. hitung ukuran bayangan yang terbentuk di retina dari seekor lalat yang hinggap di dinding yang jaraknya 3 m. Jawaban: O = 0,003 m, Q = 0,02 m, P = 3 m Maka: I = (Q/P)O = (0,02/3)0,003 = /3 = m = 20 µm Mata normal manusia dilihat dari ilmu Kimia dan Fisika, dapat menerima cahaya dengan panjang gelombang dari 380 sampai 780 nm. Daerah ini disebut Visible (Cahaya tampak) adalah bagian dari spektrum elektromagnetik yang tampak oleh mata manusia. Pada Gambar di bawah ini, daerah Visible hanya sedikit sekali. Daerah yang hanya sedikit (visible) ini, kita telah banyak melihat bermacam-macam warna yang indah di dunia ini. Sungguh ini merupakan salah satu nikmat dari Allah swt yang begitu besar. Gambar 12. Spektrum radiasi elektromagnetik Jika diperbesar menjadi; Gambar 13. Spektrum warna elektromagnetik

11 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika Al-BiRuNi 04 (2) (2015) Hubungan Posisi Benda dengan Bayangan Hubungan posisi benda, bayangan yang terbentuk dan panjang fokus suatu lensa tipis dapat ditulis dalam rumus matematik: dengan: s = jarak benda ke mata, s = jarak bayangan ke mata, dan f = panjang fokus lensa. Kemampuan suatu lensa positif untuk mengumpulkan cahaya atau kemampuan lensa negatif untuk menyebarkan cahaya dinyatakan dengan istilah kekuatan lensa (P) yaitu: dengan: P = kekuatan lensa (D = dioptri); f = panjang fokus lensa (m). Untuk panjang fokus suatu lensa 1 m maka kekuatan lensa tersebut 1 D. Pembiasan Cahaya oleh Prisma Dalam optik, alat yang dipakai untuk merefleksikan cahaya berwarna putih atau untuk memisahkannya (dispersi) menjadi spektrum warna pelangi), yang secara tradisional dibuat dalam bentuk prisma dengan dasar segitiga. Gambar 14. Pembiasan cahaya pada prisma Akomodasi Benda yang terletak pada jarak kurang dari 6 meter, maka perlu ada penambahan konvergensi lensa. Akomodasi mata merupakan upaya penambahan konvergensi lensa agar mata tetap dapat melihat benda yang jaraknya kurang dari 6 meter. Kemampuan akomodasi semakin berkurang dengan bertambahnya umur. Hal ini terlihat dari ukuran titik dekat pada setiap kelompok umur yang semakin bertambah. Titik dekat adalah jarak terdekat benda dari mata yang masih dapat diidentifikasi dengan jelas. Tabel 1. Ukuran titik dekat setiap kelompok umur Akomodasi terjadi karena kontraksi dari m ciliaris yang memiliki origo pada lensa dan insersi pada orbita. Kontraksi m ciliaris menarik orbita mendekat ke media sehingga jarak superior dengan

12 296 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika Al-BiRuNi 04 (2) (2015) posterior orbita berkurang. Secara tidak langsung hal ini menyebabkan tekanan pada lensa mata ke arah medial, sehingga menyebabkan kelengkungan lensa (terutama posterior) bertambah cembung. Gambar 15. Kontraksi m ciliaris Akomodasi menyebabkan seakanakan jarak benda bertambah, atau menjauh karena bagian posterior lensa bertambah cembung ke dalam. Selain jarak benda, jari-jari dan diameter lensa juga bertambah saat akomodasi. Efek samping lain yang muncul saat akomodasi adalah peningkatan tekanan chamber, terutama posterior. Hal inilah yang menyebabkan munculnya rasa nyeri tumpul (kemeng), ditambah dengan terbentuknya asam laktat dari kontraksi m ciliaris menyebabkan akomodasi mata tak dapat dilakukan terlalu lama. Jarak terdekat dari benda agar masih dapat dilihat dengan jelas dikatakan benda terletak pada titik dekat/punktum proksimum. Jarak punktum proksimum terhadap mata dinyatakan (dalam meter) maka 1/P disebut AP (aksial proksimum); pada saat ini mata berakomodasi sekuat-kuatnya (mata berakomodasi maksimum). Jarak terjauh bagi benda agar masih dapat dilihat dengan jelas dikatakan benda terletak pada titik jauh/punktum remotum. Jarak punktum remotum terhadap mata dinyatakan r (dalam meter) maka 1/r disebur Ar (aksila proksimum); pada saat ini mata tidak berakomodasi/lepas akomodasi. Setiap Ap dengan Ar disebut lebar akomodasi, dapat dinyatakan: Ac = Ap Ar Ac merupakan lebar akomodasi yaitu perbedaan antara akomodasi maksimal dengan lepas akomodasi maksimal Secara empiris Ac = 0,0028 (80 th- L) 2 dioptri L = umur dalam tahun Bertambah jauhnya titik dekat akibat umur disebut mata presbyop. Presbyop ini bukan merupakan cacat penglihatan. SIMPULAN Adapun kesimpulan dari artikel ini adalah: 1. Bayangan tampak terbalik di retina peka-cahaya di bagian belakang bola mata tetapi otak secara otomatis mengoreksi hal ini 2. memadukan bayangan dari kedua mata sehingga kita memiliki persepsi kedalaman yang baik dan penglihatan tiga dimensi sejati. Apabila penglihatan diri salah satu mata lenyap, penglihatan dari mata yang tersisa masih memadai untuk sebagian besar kebutuhan

13 Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika Al-BiRuNi 04 (2) (2015) DAFTAR PUSTAKA Agusta, Chaterina Paulus Teknologi Penginderaan Jauh Kelautan : Produktivitas Perikanan. Paper Teknologi Eksplorasi Kelautan Biofisika, Fisika Indera 3, Fisika Optik. Handout Kuliah Cameron, John R Fisika Tubuh Manusia Edisi 2. Jakarta: EGC Gabriel, J.F Fisika Kedokteran. Jakarta : EGC