Sistem biologis merupakan sistem yang terus melakukan aktivitas mekanik. Manusia berjalan, berlari, melompat, mengangkat benda, dan mempertahankan postur tubuh. Hewan bergerak untuk mencari makanan atau menghindari predator, sementara pada skala mikroskopis sel dan mikroorganisme juga melakukan berbagai bentuk gerakan. Semua aktivitas tersebut melibatkan perpindahan energi dan perubahan momentum.

Usaha, Energi, Momentum dan Impuls

Konsep usaha, energi, momentum, dan impuls memberikan kerangka fisika untuk memahami bagaimana organisme menghasilkan gerakan, mempertahankan aktivitas, serta berinteraksi dengan lingkungannya.

1. Usaha dalam Sistem Biologis

Dalam fisika, Usaha adalah besar gaya (F) yang bekerja yang menyebabkan sebuah benda berpindah (s). Tanpa perpindahan, Energi yang dikeluarkan dalam bentuk gaya tidak menghasilkan usaha sama sekali.

Untuk gaya konstan.

usaha dapat dituliskan sebagai:

W=F.s.cos θ

Keterangan:

• w = usaha (J)
• F = gaya (N)
• s = perpindahan (m)
• θ = Sudut antara gaya dan perpindahan

Dalam sistem biologis, usaha dapat ditemukan dalam aktivitas otot. Ketika seseorang mengangkat lengannya, otot memberikan gaya pada tulang sehingga bagian tubuh mengalami perpindahan. Energi kimia yang tersimpan dalam tubuh digunakan untuk menghasilkan kerja mekanik.

Sebagai contoh, ketika seseorang mengangkat benda bermassa (m) secara vertikal hingga ketinggian (h), usaha terhadap gravitasi secara sederhana adalah:

W=mgh

Jika seseorang mengangkat benda bermassa 5 kg setinggi 1 meter, maka:

W = (5)(9,8)(1)

Artinya, diperlukan sekitar 49 J usaha mekanik untuk meningkatkan energi potensial gravitasi benda tersebut sebesar jumlah yang sama, dengan mengabaikan faktor lain.

Namun, pada tubuh manusia, energi kimia yang dikeluarkan biasanya lebih besar daripada usaha mekanik eksternal karena otot tidak memiliki efisiensi 100%. Sebagian energi metabolik dilepaskan sebagai panas.

2. Usaha dan Kontraksi Otot

Otot merupakan salah satu mesin biologis yang mengubah energi kimia menjadi kerja mekanik. Energi kimia dari metabolisme digunakan dalam proses kontraksi otot.

Secara sederhana, hubungan antara kerja mekanik dan energi dapat dinyatakan:

W = Fs

Contoh pada otot

Ketika otot menghasilkan gaya $F$ dan menyebabkan tulang atau bagian tubuh berpindah sejauh $d$, otot melakukan usaha mekanik:$$W_{\text{otot}}=Fd$$

Jika gaya otot 100 N menyebabkan bagian tubuh berpindah 0,5 m:$$W=(100)(0,5)$$$$\boxed{W=50\text{ J}}$$

Untuk gaya yang berubah sepanjang gerakan, digunakan:$$\boxed{W=\int \vec F\cdot d\vec r}$$

Persamaan ini lebih sesuai untuk menganalisis gerakan biologis karena gaya otot umumnya tidak konstan.

3. Energi dalam Sistem Biologis

Energi merupakan kemampuan suatu sistem untuk melakukan usaha. Dalam organisme, energi memiliki berbagai bentuk dan dapat mengalami transformasi.

Energi kimia dalam makanan disimpan dan digunakan melalui proses metabolisme. Sebagian energi kemudian digunakan untuk aktivitas biologis, termasuk menghasilkan kerja mekanik.

Dalam mekanika, energi kinetik suatu objek diberikan oleh:

Energi mekanik terdiri atas energi kinetik dan energi potensial:$$\boxed{E_m=E_k+E_p}$$

Energi kinetik muncul akibat gerakan:$$\boxed{E_k=\frac12mv^2}$$

Sedangkan energi potensial gravitasi muncul akibat posisi:$$\boxed{E_p=mgh}$$

Sehingga:$$\boxed{E_m=\frac12mv^2+mgh}$$

Contoh: manusia berlari

Seseorang dengan massa 60 kg berlari dengan kecepatan 5 m/s. Energi kinetiknya adalah:$$E_k=\frac12(60)(5)^2$$$$E_k=30(25)$$$$\boxed{E_k=750\text{ J}}$$

Jadi, tubuh tersebut memiliki energi kinetik sekitar 750 joule akibat gerak translasi.