Biomekanika Kerja

Biomekanika merupakan suatu bidang kajian ilmu dalam Ergonomi yang berhubungan dengan mekanisme pergerakan tubuh dalam melakukan suatu pekerjaan/aktivitas.

Franklin & Nordin (1980) mendefinisikan biomekanika sebagai berikut:
Biomekanika menggunakan konsep fisika dan  teknik untuk menjelaskan gerakan pada bermacam-macam bagian tubuh manusia dan gaya yang bekerja pada bagian tubuh pada aktifitas sehari-hari.

Chaffin (1991) membuat istilah biomekanika kerja (Occupational Biomechanic) yang didefinisikan sebagai berikut:

• Biomekanika kerja adalah studi mengenai interaksi pekerja dengan peralatan, mesin dan material, sehingga pekerja dapat meningkatkan performansinya dan di sisi lain dapat meminimalkan resiko cedera kerja (muskuloskeletal)
• Biomekanika menggunakan konsep fisika dan  teknik untuk menjelaskan gerakan pada bermacam-macam bagian tubuh manusia dan gaya yang bekerja pada bagian tubuh pada aktifitas sehari-hari. Hal ini mengandung pengertian bahwa biomekanika menyangkut masalah faal tubuh, keilmuan fisika dan perilaku manusia. Biomekanika kerja mengkaji perilaku tubuh manusia dan aspek-aspek mekanika gerakan anggota-anggota tubuhnya.

Pengetahuan tentang biomekanika sangat diperlukan untuk mengetahui mekanisme terjadinya kecelakaan kerja, sehingga pendekatan yang efektif dan ilmiah dapat membantu manusia bekerja dengan aman.

Contoh aplikasi dari biomekanika adalah penetapan berat beban angkatan yang direkomendasikan pada pekerjaan penanganan material secara manual, sehingga mengurangi terjadinya cedera tulang belakang bagian bawah (lower back pain). (Rebecca, 2012)

Biomekanika diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu :

1.    General Biomechanic

General Biomechanic adalah biomekanika yang membahas hukum dan konsep dasar yang mempengaruhi tubuh organik manusia baik dalam posisi diam maupun bergerak. Dalam General Biomechanic sendiri meliputi dua bagian, yaitu :

1. Biostatics adalah bagian yang hanya menganalisa tubuh pada posisi diam atau bergerak pada garis lurus dengan kecepatan seragam (uniform).
2. Biodinamic adalah bagian yang berkaitan dengan gambaran gerakan–gerakan tubuh tanpa mempertimbangkan gaya yang terjadi (kinematik) dan gerakan yang disebabkan gaya yang bekerja dalam tubuh (kinetik). (Tayyari, 1997)

2.    Occupational Biomechanic

Occupational Biomechanic berkaitan dengan interaksi fisik antara pekerja dengan mesin, material dan peralatan, dimana memiliki tujuan dalam meminimalisir keluhan/kelelahan pada sistem kerangka otot untuk meningkatkan produktifitas kerja. Biomekanik ini kolaborasi bagian-bagian tubuh untuk menghasilkan gerak seperti tulang, jaringan penghubung (connective tissue), dan otot yang dapat dijelaskan sebagai berikut:

a.    Tulang

Tulang sebagai alat untuk meredam dan medistribusikan gaya/tegangan saat melakukan aktifitas kerja. Tulang yang besar dan panjang berfungsi sebagai pembanding terhadap beban. Tulang juga terikat dengan otot, dan jaringan penghubung (connecive tissue) yakni ligamen, cartilage dan tendon. Dalam aplikasinya di biomekanik berhubungan dengan kerangka manusia

b.   Connective Tissue atau jaringan penghubung

Connective Tissue atau jaringan penghubung meliputi tiga bagian, yaitu:

1.    Cartilage

Cartilagenous adalah sambungan yang berfungsi dalam pergerakan yang relatif kecil. Contoh: Sambungan tulang iga (ribs) dan pangkal tulang iga (sternum). Cartilage sendiri memiliki bagian khusus antara vertebrata (ruas-ruas tulang belakang) yaitu dikenal sebagai interveterbratal disc yang terdiri dari pembungkus dan dikelilingi oleh inti (puply core). Verterbratae juga terdapat pada ligamen dan otot. Gerakan yang relatif kecil pada setiap ruas mengakibatkan adanya fleksibelitas tubuh untuk membungkuk, menengadah, dan memutar. Sedangkan disc berfungsi sebagai peredam getaran pada saat tubuh bergerak baik pada saat translasi dan rotasi. (Eko Nurmianto,1996)

2.  Ligament

Ligamen berfungsi sebagai penghubung antar tulang dalam stabilitas sambungan (joint stability) atau untuk membentuk bagian sambungan dan menempel pada tulang. Ligamen tersusun atas serabut yang letaknya tidak pararel. Oleh karenanya tendon dan ligamen bersifat inelastic dan berfungsi pula untuk menahan deformasi. Adanya tegangan yang konstan akan dapat memeperpanjang ligamen dan menjadikannya kurang efektif dalam menstabilkan sambungan (joints). Adapun contoh sambungan ligamen diantaranya seperti: gerakan mengangkat tangan, sambungan siku dan sambungan bahu, pergerakan rotasi seluruh tangan pada sumbunya, dan gerakan lengan tangan pada sambungan pergelangan tangan. (Eko Nurmianto,1996)

3.   Tendon

Tendon memiliki fungsi sebagai penghubung antara tulang dan otot yang terdiri dari sekelompok serabut collageno yang letaknya pararel dengan panjang tendon. Tendon bergerak dalam sekelompok jaringan serabut dalam suatu area dimana adanya gaya gesekan harus diminimalkan. Bagian dalam dari jaringan ini mengeluarkan cairan synovial untuk pelumasan. (Eko Nurmianto, 1996)

a.    Otot ( Muscle )

Otot terbentuk atas visber (fibre), dengan ukuran panjang antara 10 – 40 mm dan berdiameter 0,01 – 0,1 mm dan sumber energi otot berasal dari proses aerob maupun anaerob.

1. Anaerobic, yaitu proses perubahan ATP menjadi ADP dan energi tanpa bantuan oksigen. Glikogen yang terdapat dalam otot terpecah menjadi energi dan membentuk asam laktat. Asam laktat akan memberikan indikasi adanya kelelahan otot secara lokal, karena kurangnya jumlah oksigen yang disebabkan oleh kurangnya jumlah suplai darah yang dipompa dari jantung. Contoh: jika ada gerakan yang sifatnya tiba-tiba (mendadak), lari jarak dekat (sprint), dan lain sebagainya.
2. Aerobic, yaitu proses perubahan ATP menjadi ADP dan eneggi dengan bantuan oksigen. Asam laktat yang dihasilkan oleh kontraksi otot dioksidasi dengan cepat. Sehingga beban pekerjaan yang tidak terlalu melelahkan akan dapat berlangsung cukup lama. Disamping itu aliran darah yang cukup akan mensuplai lemak, karbohidrat dan oksigen ke dalam otot. Akibat dari kondisi kerja yang terlalu lama akan menyebabkan kadar glikogen dalam darah akan menurun drastis di bawah normal, dan kebalikannya kadar asam laktat akan meningkat, dan kalau sudah demikian maka cara terbaik adalah menghentikan pekerjaan, kemudian istirahat dan makan makanan yang bergizi untuk membentuk kadar gula dalam darah. Hal tersebut di atas adalah merupakan proses kontraksi otot yang telah disederhanakan analisa pembangkit energinya, dan sekaligus menandakan arti pentingnya aliran darah untuk otot. Oleh karenanya para ergonom hendaklah memeperhatikan hal-hal seperti berikut untuk sedapat mungkin dihindari :
3. Beban otot statis (static muscle loads).
   1. Oklusi (penyumbatan aliran darah) karena tekanan, misalnya tekanan segi kursi pada popliteal (lipat lutut).
   2. Bekerja dengan lengan berada di atas yang menyebabkan siku aliran darah bekerja berlawanan dengan arah gravitasi.

(Eko Nurmianto,Edisi Pertama,1996)

2.2 Pemodelan Biomekanika

Model biomekanika ini dikembangkan untuk memperkirakan gaya serta momen yang digunakan tubuh saat pergerakkan, model ini juga memperkirakan postur tubuh saat seseorang melakukan aktivitas yang beresiko menyebabkan cedera musculoskeletal, dalam pengembangannya model biomekanika dapat dibedakan menurut tipe analisis gerakannya yaitu statis dan dinamis, sedangkan analisis gaya pada model tersebut dapat melalui pendekatan dua dimensi atau tiga dimensi. (Chaffin, 1999) 

2.3 Pengukuran  Kerja Biomekanika

Aktivitas yang dilakukan manusia tetap membutuhkan usaha fisik dan penanganan manual terhadap material dan peralatan. Sehubungan dengan ini kegiatan Manual material Handling (MMH) tetap diperlukan untuk kondisi-kondisi kerja. Adapun dampak negatif MMH adalah kesehatan dan keselamatan kerja (K-3), 25% kecelakaan kerja terjadi akibat salah urat pada punggung. Di negara industri, diperkirakan 70% – 80% penduduk mengalami berbagai macam sakit punggung (back pain). Berdasarkan data perkiraan terakhir, sekitar 10% – 15% populasi mengalami sakit punggung bagian bawah (low back pain).

Suatu lembaga yang menangani masalahan kesehatan dan keselamatan kerja di Amerika, NIOSH (National Institute for Occupational Safety and Health) melakukan analisis terhadap faktor-faktor yang berpengaruh terhadap biomekanik, yaitu  :
1.    Berat dari benda yang dipindahkan, hal ini ditentukan oleh pembebanan langsung.
2.    Posisi pembebanan dengan mengacu pada tubuh, hal ini dipengaruhi oleh :

1. Jarak horizontal beban yang dipindahkan dari lantai
2. Jarak vertikal beban yang dipindahkan dari lantai
3. Sudut pemindahan beban dari posisi sagital (posisi pengangkatan tepat di depan  tubuh)
4. Jarak perpindahan vertikal dari titik asal beban tujuan
5. Frekuensi pemindahan, hal ini dicatat sebagai rata-rata pemindahan/menit untuk pemindahan yang berfrekuensi tinggi. Frekuensi terpisah layak diberikan untuk setiap pemindahan yang berbeda.
6. Periode (durasi) total waktu yang diberlakukan dalam pemindahan pada suatu pencatatan. Dapat ditentukan sebagai kurang dari 1-2 jam atau 2-8 jam.

Berdasarkan penelitian terakhir, yang dicantumkan dalam revisi NIOSH Guidelines, dikemukakan dua buah faktor pengali yang mempengaruhi berat beban yang boleh diangkat adalah :

1. Pengali asimetrik, yaitu pemindahan dengan postur diluar postur sagital dengan membentuk suatu sudut (maksimal 900)
2. Pengali kopling, berdasarkan penelitian yang dilakukan, pengaruh adanya handel pada RWL (Recommended Weight Limit) mengakibatkan pengurangan beban dalam pemindahan beban.

Dapat segera dipahami bahwa tingkat kecelakaan muskulokeletal (jumlah kecelakaan perjam orang pada pekerjaan) meningkat secara signifikan bila :

1. Benda yang dipindahkan semakin berat (L)
2. Benda yang dipindahkan jaraknya semakin jauh dari tubuh (H)
3. Benda yang dipindahkan semakin jauh dari ketinggian optimal pengangkatan beban secara sagital (V) ;  Ketinggian optimal pengangkatan beban 70 – 80 cm (Ketinggian ujung jari  dari lantai pada posisi tangan lurus ke bawah)
4. Benda yang dipindahkan semakin sering dipindahkan (F)
5. Benda yang dipindahkan semakin menyimpang dari posisi sagital (A)
6. Benda yang dipindahkan susah dipegang (C)
7. Pemindahan beban semakin jauh (D)
8. Durasi/lamanya waktu bekerja semakin besar

Rekomendasi NIOSH tahun 1991 memberikan perbaikan atas persamaan NIOSH yang dikeluarkan pada 1981. Persamaan terdahulu dibagi menjadi 2 level batas pembebanan:

1. Action Limit  (batas gaya angkat normal)
2. Maximum Permissible Limit (batas gaya angkat maksimum) yang memuat batas pembebanan maksimum dimana:

Sebagai informasi tambahan bahwa variable-variabel tersebut diatas diasumsikan mempunyai batasan-batasan sebagai berikut:

1. H antara 15 cm (6 in) dan 80 cm (32 in), suatu beban tidak dapat lebih dekat dari 15 cm tanpa bersentuhan dengan badan operator, sedangkan beban yang berposisi lebih jauh dari 80 cm (32 in) akan sulit dijangkau oleh kebanyakan orang.
2. V diasumsikan antara 0 cm dan 175 cm (70 in), yang menggambarkan rentang jarak untuk aktifitas angkat vertical pada kebanyakan orang.
3. D diasumsikan antara 25 cm (10 in) dan (200-V) cm atau (80-V) inchi.
4. F diasumsikan antara 0,2 (satu aktifitas angkat setiap 5 menit) dan Fmax (lihat table). sedangkan aktifitas angkat yang kurang dari satu angkat per 5 menit, gunakan F = 0

2.3.1 Disc L5/S1 dalam Aktivitas Pengangkatan

          Pada pembahasan sebelumnya (subbab 2.1, mengenai connective tissue) telah dipaparkan bahwa disc berfungsi sebagai peredam getaran pada saat tubuh bergerak baik pada saat translasi dan rotasi. Sedangkan disc L5/S1 merupakan pengertian dari lumbar 5 dan sacrum 1, bagian ini merupakan titik rawan dalam sistem rangka. Analisa dari berbagai macam pekerjaan yang menunjukkan rasa nyeri (ngilu) berhubungan erat dengan beban kompresi (tekan) yang terjadi pada (L5/S1). (Chaffin and Park, 1973)

Pada segmen L5/S1 dari kegiatan pengangkatan dalam satuan Newton yang distandarkan oleh NIOSH (National Instiute of Occupational Safety and Health) tahun 1981. Besar gaya tekannya adalah di bawah 6500 N pada L5/S1. Sedangkan batasan gaya angkatan normal (the Action Limit) sebesar 3500 pada L5/S1. Sehingga, apabila Fc < AL (aman), AL < Fc < MPL (perlu hati-hati) dan apabila Fc > MPL (berbahaya). Batasan gaya angkat maksimum yang diijinkan , yang direkomendasikan NIOSH (1991) adalah berdasarkan gaya tekan sebesar 6500 N pd L5/S1 , namun hanya 1% wanita dan 25% pria yang diperkirakan mampu melewati batasan angkat ini.

Perlu diperhatikan bahwa nilai dari analisa biomekanika adalah rentang postur atau posisi aktifitas kerja, ukuran beban, dan ukuran manusia yang dievaluasi. Sedangkan kriteria keselamatan adalah berdasar pada beban tekan (compression load) pada intebral disk antara Lumbar nomor lima dan sacrum nomor satu (L5/S1). Untuk mengetahui lebih jelas lagi L5/S1 dapat dilihat pada gambar 1.5 dibawah ini

Telah ditemukan pula bahwa 85-95% dari penyakit hernia pada disk terjadi dengan relatif frekuensi pada L4/L5 dan L5/S1. Kebanyakan penyakit-penyakit tulang belakang adalah merupakan hernia pada intervertebral disk yaitu keluarnya inti intervertebral (pulpy nucleus) yang disebabkan oleh rusaknya lapisan pembungkus intervertebral disk. Karena pada bagian disc L5/S1 terdapat selaput yang berisi cairan yang dapat pecah jika beban terlalu besar. Jika disc pecah maka berpotensi mengalami kelumpuhan.

Evan dan Lissner (1962) dan Sonoda (1962) melakukan penelitian dengan uji tekan pada spine (tulang belakang). Mereka menemukan bahwa tulang belakang yang sehat tidak mudah terkena hernia, akan tetapi lebih mudah rusak/retak jika disebabkan oleh beban yang ditanggung oleh segmen tulang belakang (spinal) dan yang terjadi dengan diawali oleh rusaknya bagian atas/ bawah segmen tulang belakang (the castilage end-plates in the vertebrae). Retak kecil yang terjadi pada vertebral akan menyebabkan keluarnya cairan dari dalam vertebrae menuju kedalam intervetrebae disc dan selanjutnya mengakibatkan degenerasi (kerusakan) pada disk. Dari kejadian ini dapat ditarik kesimpulan bahwa degenerasi adalah merupakan prasarat untuk terjadinya hernia pada intervertebral disc yang pada gilirannya akan menjadi penyebab umum timbulnya rasa nyeri pada bagian punggung bawah (low-back pain). 

(Evan dan Lissner (1962) dan Sonoda (1962))

2.3.2 Action Limit (AL) dan Maximum Permissible Limit (MPL)

Action Limit merupakan kelanjutan tindakan untuk mengantisipasi, mencegah dan mengkoreksi proses produksi yang tidak sesuai dan memastikan bahwa proses tersebut tidak berulang. Untuk menghitung AL dan MPL hanya diperlukan untuk mengetahui berat obyek yang diangkat, lokasi beban yang berhubungan dengan pekerja, jarak dan frekuensi angkat, dan durasi dari kegiatan mengangkat.

Maximum permissible limit (MPL) merupakan batas besarnya gaya tekan pada segmen L5/S1 dari kegiatan pengangkatan dalam stauan newton yang distandarkan oleh NIOSH pada tahun 1981. Besar gaya maksimum tekannya (MPL) adalah dibawah 6500 N pada L5/S1. Sedangkan batasan gaya angkatan normal (Action limit) sebesar 3500 N pada L5/S1. Sehingga:

1. Fc<AL dikategorikan aman

2. AL<Fc<MPL dikategorikan perlu hati-hati, dan

3. FC<MPL dikategorikan berbahaya

Evan dan Lisner (1962) dan Sonoda (1962) melakukan penelitian dengan uji tekan pada spine (tulang belakang). Mereka menemukan bahwa tulang belakang yang sehat tidak mudah terkena hernia,  akan tetapi lebih mudah rusak/retak jika disebabkan oleh beban yang ditanggung oleh segmen tulang  belakang (spinal) dan yang terjadi dengan diawali oleh rusaknya bagian atas/bawah segmen tulang belakang (the castingend-plates in the vertebrae).

Dalam biomekanika perhitungan guna mencari momen dan gaya dapat dilakukan dengan cara menghitung  gaya dan momen secara parsialatau menghitung tiap segmen yang menyusun tubuh manusia.

Besaran AL dapat Dihitung dengan rumus :

AL = k x HF x VF x DF x FF……………………………………………………….(1.1)

Keterangan :

k        = load constant, konstanta beban yang besarnya : 40 kg

HF     = horizontal factor, faktor horizontal yang besarnya : 15/H

VF     = vertical factor, faktor vertikal yang besarnya : 0,004 V-75

DF     = distance factor, faktor jarak yang besarnya : 0,7+7,5 D

FF     = frequency faktor, faktor frekuensi yang besarnya : 1-F/Fmax

H       = jarak antara titik berat beban dan titik tengah antara kedua mata kaki pada titik awal pengangkatan

V       = jarak beban dari lantai pada titik awal pengangkatan

D       = jarak perpindahan vertikal beban

F        = frekuensi rata-rata aktivitas pengangkatan

2.3.3 Recommended Weight Limit (WRL) dan Lifting Index (LI)

Recommended Weight Limit (RWL) merupakan rekomendasi batas beban yang dapat diangkat oleh manusia tanpa menimbulkan cidera meskipun pekerjaan tersebut dilakukan secara repetitive dan dalam jangka waktu yang cukup lama. RWL ini ditetapkan oleh NIOSH pada tahun 1991 di Amerika Serikat. Persamaan NIOSH berlaku pada keadaan:

1.    Beban yang diberikan adalah beban statis, tidak ada penambahan ataupun pengurangan beban di tengah-tengah pekerjaan.

2.    Beban diangkat dengan kedua tangan.

3.    Pengangkatan atau penurunan benda dilakukan dalam waktu maksimal 8 jam.

4.    Pengangkatan atau penurunan benda tidak boleh dilakukan saat duduk.

5.    Tempat kerja tidak sempit.

Sebuah lembaga yang menangani masalah kesehatan dan keselamatan kerja di Amerika, NIOSH (National Institute of Occupational Safety and Health) melakukan analisis terhadap kekuatan manusia dalam mengangkat atau memindahkan beban, serta merekomendasikan batas maksimum beban yang masih boleh diangkat oleh pekerja yaitu Action Limit (AL) dan MPL (Maximal Permissible Limit) pada tahun 1981. Kemudian Lifting Equation tersebut direvisi sehingga dapat mengevaluasi dan menyediakan pedoman untuk range yang lebih luas dari Manual Lifting. Revisi tersebut menghasilkan RWL (1991), yaitu batas beban yang dapat diangkat oleh manusia tanpa menimbulkan cedera meskipun pekerjaan tersebut dilakukan secara berulang-ulang dalam durasi kerja tertentu (misal 8 jam sehari) dan dalam jangka waktu yang cukup lama.

Persamaan untuk menentukan beban yang direkomendasikan untuk diangkat seorang pekerja dalam kondisi tertentu menurut NIOSH adalah sbb:

RWL = LC x HM x VM x DM x AM x FM x CM…………………………….(1.2)

Keterangan:

LC = konstanta pembebanan = 23 kg

HM = faktor pengali horizontal = 25 / H

FM = faktor pengali frekuensi (Frequency Multiplier)

CM = faktor pengali kopling (handle)

VM = Faktor pengali vertical

VM = 1-0,03 |v-75|

DM = Faktor pengali perpindahan

DM = 0,82 + (4,5/D)

AM = Faktor pengali asimetrik

AM = 1-0,0032.A

H    = jarak beban terhadap titik pusat tubuh

V    = jarak beban terhadap lantai

D   =jarak perpindahan beban secara vertical

A   = sudut simetri putaran yang dibentuk tubuh

Untuk Frekuensi Pengali ditentukan dengan menggunakan tabel FM dibawah ini dengan mengetahui frekuensi angkatan tiap menitnya dan juga nilai V dalam inchi.

Setelah nilai RWL diketahui, selanjutnya perhitungan Lifting Index, untuk mengetahui index pengangkatan yang tidak mengandung resiko cidera tulang belakang, dengan persamaan :

LI = ………………………………………………………………………(1.3)

Keterangan:

Jika LI < 1, maka aktivitas tersebut tidak mengandung resiko cidera tulang belakang. Jika LI > 1, maka aktivitas tersebut mengandung resiko cidera tulang belakang

Dalam tubuh manusia terdapat tiga jenis gaya: Winter, 1979 )

1. Gaya Gravitasi, yaitu gaya yang melalui pusat massa dari tiap segmen tubuh manusia dengan arah ke bawah. Besar gayanya adalah massa dikali percepatan gravitasi ( F = m.g )
2. Gaya Reaksi yaitu gaya yang terjadi akibat beban pada segmen tubuh atau berat segmen tubuh itu sendiri.
3. Gaya otot yaitu gaya yang terjadi pada bagian sendi, baik akibat gesekan sendi atau akibat gaya pada otot yang melekat pada sendi. Gaya ini menggambarkan besarnya momen otot.

Referensi:

Nurmianto, Eko. 2004. Ergonomi Konsep Dasar dan aplikasinya. Surabaya: penerbit guna widya.