Feedback pozitiv - Positive feedback

Alarma sau panica pot fi uneori răspândite prin feedback pozitiv între o turmă de animale pentru a provoca o lovitură .
Diagrama buclei cauzale care descrie cauzele unei stampede ca o buclă de feedback pozitiv.
În sociologie, un efect de rețea poate crea rapid feedbackul pozitiv al unei bănci . Fotografia de mai sus este a bancii din Marea Britanie Northern Rock 2007 .

Feedback-ul pozitiv ( feedback exacerbator , feedback auto-întăritor ) este un proces care are loc într-o buclă de feedback care agravează efectele unei mici perturbări. Adică, efectele unei perturbații asupra unui sistem includ o creștere a magnitudinii perturbației. Adică, A produce mai multe dintre B , care , la rândul său , produce mai mult de A . În schimb, un sistem în care rezultatele unei schimbări acționează pentru a o reduce sau contracara au un feedback negativ . Ambele concepte joacă un rol important în știință și inginerie, inclusiv în biologie, chimie și cibernetică .

Din punct de vedere matematic, feedback-ul pozitiv este definit ca un câștig pozitiv în buclă în jurul unei bucle închise de cauză și efect. Adică, feedback-ul pozitiv este în fază cu intrarea, în sensul că adaugă pentru a crește intrarea. Feedback-ul pozitiv tinde să provoace instabilitatea sistemului . Când câștigul buclei este pozitiv și peste 1, va exista de obicei o creștere exponențială , oscilații crescânde , comportament haotic sau alte divergențe de echilibru . Parametrii sistemului se vor accelera de obicei către valori extreme, care pot deteriora sau distruge sistemul sau se pot termina cu sistemul blocat într-o nouă stare stabilă. Feedbackul pozitiv poate fi controlat de semnalele din sistem care sunt filtrate , amortizate sau limitate , sau poate fi anulat sau redus prin adăugarea de feedback negativ.

Feedbackul pozitiv este utilizat în electronica digitală pentru a forța tensiunile departe de tensiunile intermediare în stările „0” și „1”. Pe de altă parte, fuga termică este un tip de feedback pozitiv care poate distruge joncțiunile semiconductoare . Feedbackul pozitiv în reacțiile chimice poate crește rata reacțiilor și, în unele cazuri, poate duce la explozii . Feedback-ul pozitiv în proiectarea mecanică face ca mecanismele de vârf sau „excentric” să se fixeze în poziție, de exemplu în comutatoare și clești de blocare . Fără control, poate provoca prăbușirea podurilor . Feedback-ul pozitiv în sistemele economice poate provoca cicluri de boom-apoi-bust . Un exemplu familiar de feedback pozitiv este sunetul puternic produs de feedbackul audio din sistemele de sonorizare : microfonul preia sunetul din propriile difuzoare, îl amplifică și îl trimite din nou prin difuzoare.

Coagularea trombocitelor demonstrează feedback pozitiv. Peretele deteriorat al vasului de sânge eliberează substanțe chimice care inițiază formarea unui cheag de sânge prin congregația de trombocite. Pe măsură ce se adună mai multe trombocite, se eliberează mai multe substanțe chimice care accelerează procesul. Procesul devine din ce în ce mai rapid până când peretele vasului de sânge este complet sigilat și bucla de feedback pozitiv s-a încheiat. Forma exponențială a graficului ilustrează mecanismul de feedback pozitiv.

Prezentare generală

Feedbackul pozitiv îmbunătățește sau amplifică un efect prin influența acestuia asupra procesului care a dat naștere acestuia. De exemplu, când o parte a unui semnal electronic de ieșire revine la intrare și este în fază cu acesta, câștigul sistemului este crescut. Feedback-ul de la rezultat la procesul de inițiere poate fi direct sau poate fi prin alte variabile de stare. Astfel de sisteme pot oferi comportamente calitative bogate, dar dacă feedback-ul este instantaneu pozitiv sau negativ în semn are o influență extrem de importantă asupra rezultatelor. Feedback-ul pozitiv întărește și feedback-ul negativ moderează procesul original. Pozitiv și negativ în acest sens se referă la câștiguri de buclă mai mari sau mai mici decât zero și nu implică niciun fel de judecăți de valoare cu privire la dezirabilitatea rezultatelor sau efectelor. O caracteristică cheie a feedback-ului pozitiv este, astfel, că micile tulburări devin mai mari. Când apare o schimbare într-un sistem, feedback-ul pozitiv determină schimbări suplimentare, în aceeași direcție.

De bază

Un sistem de bază de feedback poate fi reprezentat de această diagramă bloc. În diagramă simbolul + este un sumator și A și B sunt funcții cauzale arbitrare .

În diagramă este prezentată o buclă simplă de feedback. Dacă câștigul buclei AB este pozitiv, atunci există o condiție de feedback pozitiv sau regenerativ .

Dacă funcțiile A și B sunt liniare și AB este mai mică decât unitatea, atunci câștigul general al sistemului de la intrare la ieșire este finit, dar poate fi foarte mare pe măsură ce AB se apropie de unitate. În acest caz, se poate arăta că câștigul general sau „bucla închisă” de la intrare la ieșire este:

Când AB> 1, sistemul este instabil, deci nu are un câștig bine definit; câștigul poate fi numit infinit.

Astfel, în funcție de feedback, schimbările de stare pot fi convergente sau divergente. Rezultatul feedback-ului pozitiv este de a spori modificările, astfel încât perturbările mici pot duce la schimbări mari.

Un sistem în echilibru în care există feedback pozitiv la orice schimbare de la starea sa actuală poate fi instabil, caz în care se spune că sistemul se află într-un echilibru instabil . Mărimea forțelor care acționează pentru a îndepărta un astfel de sistem de echilibrul său sunt o funcție crescândă a „distanței” stării de echilibru.

Feedback - ul pozitiv nu implică în mod necesar instabilitatea unui echilibru, de exemplu , stabil pe și în afara state pot exista în arhitecturi de feedback pozitiv.

Histerezis

Histerezisul face ca valoarea ieșirii să depindă de istoricul intrării
Într-un circuit de declanșare Schmitt , feedback-ul la intrarea non-inversă a unui amplificator împinge ieșirea direct departe de tensiunea aplicată către tensiunea maximă sau minimă pe care amplificatorul o poate genera.

În lumea reală, buclele de feedback pozitiv nu provoacă de obicei o creștere în continuă creștere, ci sunt modificate prin efecte limitative de un fel. Potrivit Donella Meadows :

"Buclele de feedback pozitiv sunt surse de creștere, explozie, eroziune și colaps în sisteme. Un sistem cu o buclă pozitivă necontrolată se va distruge în sine. De aceea sunt atât de puține. De obicei, o buclă negativă va începe mai devreme sau mai târziu. "

Histerezisul, în care punctul de plecare afectează locul în care ajunge sistemul, poate fi generat de feedback pozitiv. Când câștigul buclei de feedback este peste 1, atunci ieșirea se îndepărtează de intrare: dacă este deasupra intrării, atunci se deplasează către cea mai apropiată limită pozitivă, în timp ce dacă este sub intrare, atunci se deplasează spre cel mai apropiat negativ limită.

Odată ce va atinge limita, va fi stabil. Cu toate acestea, dacă intrarea depășește limita, atunci feedback-ul va schimba semnul și ieșirea se va deplasa în direcția opusă până când atinge limita opusă. Prin urmare, sistemul prezintă un comportament bistabil .

Terminologie

Termenii pozitiv și negativ au fost aplicați pentru prima dată feedback-ului înainte de al doilea război mondial . Ideea de feedback pozitiv era deja actuală în anii 1920, odată cu introducerea circuitului regenerativ .

Friis & Jensen (1924) au descris regenerarea într-un set de amplificatoare electronice ca un caz în care acțiunea „feed-back” este pozitivă în contrast cu acțiunea de feed-back negativă, pe care o menționează doar în trecere. Lucrarea clasică a lui Harold Stephen Black din 1934 detaliază mai întâi utilizarea feedback-ului negativ în amplificatoarele electronice. Potrivit lui Black:

„Feed-back-ul pozitiv crește câștigul amplificatorului, feed-back-ul negativ îl reduce.”

Potrivit lui Mindell (2002), confuzia în termeni a apărut la scurt timp după aceasta:

„... Friis și Jensen făcuseră aceeași distincție pe care Black o folosea între„ feedback pozitiv ”și„ feedback negativ ”, bazându-se nu pe semnul feedback-ului în sine, ci mai degrabă pe efectul său asupra câștigului amplificatorului. , Nyquist și Bode, când s-au bazat pe lucrarea lui Black, s-au referit la feedback-ul negativ ca fiind semnul inversat. Negrul a avut probleme să-i convingă pe alții de utilitatea invenției sale, în parte, deoarece confuzia exista cu privire la problemele de bază ale definiției. "

Aceste confuzii, împreună cu asocierile cotidiene dintre pozitiv cu „bun” și negativ cu „rău”, au determinat mulți teoreticieni ai sistemelor să propună termeni alternativi. De exemplu, Donella Meadows preferă termenii de feedback „Întărire” și „Echilibrare”.

Exemple și aplicații

În electronică

Un receptor radio regenerativ în stil vintage. Datorită utilizării controlate a feedback-ului pozitiv, se poate obține o amplificare suficientă dintr-un singur tub de vid sau supapă (centru).

Circuitele regenerative au fost inventate și brevetate în 1914 pentru amplificarea și recepția semnalelor radio foarte slabe. Feedbackul pozitiv controlat cu atenție în jurul unui amplificator cu tranzistor unic poate multiplica câștigul acestuia cu 1.000 sau mai mult. Prin urmare, un semnal poate fi amplificat de 20.000 sau chiar 100.000 de ori într-o singură etapă, ceea ce ar avea în mod normal un câștig de doar 20 până la 50. Problema cu amplificatoarele regenerative care funcționează la aceste câștiguri foarte mari este că devin ușor instabile și încep să oscileze. Operatorul de radio trebuie să fie pregătit să modifice cantitatea de feedback destul de continuu pentru o recepție bună. Receptoarele radio moderne utilizează designul superheterodin , cu multe mai multe etape de amplificare, dar funcționare mult mai stabilă și fără feedback pozitiv.

Oscilația care poate izbucni într-un circuit radio regenerativ este utilizată în oscilatoarele electronice . Prin utilizarea circuitelor reglate sau a unui cristal piezoelectric (de obicei cuarț ), semnalul care este amplificat de feedback-ul pozitiv rămâne liniar și sinusoidal . Există mai multe modele pentru astfel de oscilatoare armonice , inclusiv oscilatorul Armstrong , oscilatorul Hartley , oscilatorul Colpitts și oscilatorul pod Wien . Toți folosesc feedback pozitiv pentru a crea oscilații.

Multe circuite electronice, în special amplificatoare, încorporează feedback negativ . Acest lucru reduce creșterea lor, dar îmbunătățește liniaritatea lor, impedanta de intrare , impedanță de ieșire , și de lățime de bandă , și stabilizează toți acești parametri, inclusiv câștig-buclă închisă. Acești parametri devin, de asemenea, mai puțin dependenți de detaliile dispozitivului de amplificare în sine și mai dependenți de componentele de feedback, care sunt mai puțin susceptibile de a varia în funcție de toleranța de fabricație, vârstă și temperatură. Diferența dintre feedback-ul pozitiv și negativ pentru semnalele de curent alternativ este una de fază : dacă semnalul este retroactivat, feedback-ul este negativ și dacă este în fază, feedback-ul este pozitiv. O problemă pentru proiectanții de amplificatoare care utilizează feedback negativ este că unele dintre componentele circuitului vor introduce defazarea în calea de feedback. Dacă există o frecvență (de obicei o frecvență înaltă) în care defazajul ajunge la 180 °, atunci proiectantul trebuie să se asigure că amplificarea amplificatorului la acea frecvență este foarte scăzută (de obicei prin filtrare low-pass ). Dacă câștigul buclei (produsul amplificatorului și amploarea feedback-ului pozitiv) la orice frecvență este mai mare decât una, atunci amplificatorul va oscila la acea frecvență ( criteriul de stabilitate Barkhausen ). Astfel de oscilații sunt uneori numite oscilații parazitare . Un amplificator stabil într-un set de condiții se poate transforma în oscilație parazită în altul. Acest lucru se poate datora schimbărilor de temperatură, tensiunii de alimentare, reglării comenzilor panoului frontal sau chiar apropierii unei persoane sau a unui alt element conductiv.

Amplificatoarele pot oscila ușor în moduri greu de detectat fără un osciloscop sau oscilațiile pot fi atât de extinse încât să treacă doar un semnal foarte distorsionat sau deloc necesar, sau să apară daune. Oscilațiile parazitare cu frecvență joasă au fost denumite „motorboating” datorită similitudinii cu sunetul unei note de evacuare cu turație redusă.

Efectul utilizării unui declanșator Schmitt (B) în locul unui comparator (A)

Multe circuite electronice digitale obișnuite folosesc feedback pozitiv. În timp ce porțile logice simple booleene normale se bazează, de obicei, pur și simplu pe câștig pentru a împinge tensiunile semnalului digital departe de valorile intermediare la valorile care sunt menite să reprezinte „0” și „1” booleene , dar multe porți mai complexe utilizează feedback. Când se așteaptă ca o tensiune de intrare să varieze într-un mod analog , dar sunt necesare praguri clare pentru procesarea digitală ulterioară, circuitul de declanșare Schmitt folosește feedback pozitiv pentru a se asigura că, dacă tensiunea de intrare se strecoară ușor peste prag, ieșirea este forțată inteligent și rapid de la o stare logică la cealaltă. Unul dintre corolarele utilizării declanșatorului Schmitt de feedback pozitiv este că, în cazul în care tensiunea de intrare se mișcă ușor în jos, trecând din același prag, feedback-ul pozitiv va menține ieșirea în aceeași stare, fără nicio modificare. Acest efect se numește histerezis : tensiunea de intrare trebuie să scadă peste un prag diferit, mai mic, pentru a „dezactiva” ieșirea și a o readuce la valoarea digitală originală. Prin reducerea gradului de reacție pozitivă, lățimea histerezisului poate fi redusă, dar nu poate fi eradicată în totalitate. Declanșatorul Schmitt este, într-o oarecare măsură, un circuit de blocare .

Feedback-ul pozitiv este un mecanism prin care se îmbunătățește o ieșire, cum ar fi nivelurile de proteine. Cu toate acestea, pentru a evita orice fluctuație a nivelului proteinei, mecanismul este inhibat stochastic (I), prin urmare, atunci când concentrația proteinei activate (A) depășește pragul ([I]), mecanismul buclei este activat și concentrația de A crește exponențial dacă d [A] = k [A]
Ilustrarea unui flip-flop RS („reset-set”) realizat din două porți digitale și nici cu feedback pozitiv. Roșu și negru înseamnă „1” și „0” logice.

Un flip-flop electronic , sau „zăvor”, sau „ multivibrator bistabil ”, este un circuit care, datorită feedbackului pozitiv ridicat, nu este stabil într-o stare echilibrată sau intermediară. Un astfel de circuit bistabil este baza unui bit de memorie electronică . Flip-flop-ul folosește o pereche de amplificatoare, tranzistoare sau porți logice conectate între ele, astfel încât feedback-ul pozitiv să mențină starea circuitului într-una din cele două stări stabile neechilibrate după ce semnalul de intrare a fost eliminat, până când se obține un semnal alternativ adecvat. aplicat pentru a schimba starea. Memoria computerului cu acces aleatoriu (RAM) poate fi realizată în acest fel, cu un circuit de blocare pentru fiecare bit de memorie.

Fugirea termică apare în sistemele electronice, deoarece unui aspect al unui circuit i se permite să treacă mai mult curent atunci când devine mai fierbinte, apoi cu cât devine mai fierbinte, cu atât trece mai mult curent, ceea ce îl încălzește și mai mult și astfel trece și mai mult curent. Efectele sunt de obicei catastrofale pentru dispozitivul în cauză. Dacă dispozitivele trebuie să fie utilizate aproape de capacitatea lor maximă de manipulare a puterii, iar fuga termică este posibilă sau probabilă în anumite condiții, îmbunătățirile pot fi obținute de obicei printr-o proiectare atentă.

Un platou rotativ cu fonograf este predispus la feedback acustic.

Sistemele audio și video pot demonstra feedback pozitiv. Dacă un microfon preia ieșirea sonoră amplificată a difuzoarelor în același circuit, atunci se vor auzi sunete urlătoare și țipete de feedback audio (până la capacitatea maximă de putere a amplificatorului), deoarece zgomotul aleatoriu este re-amplificat prin feedback pozitiv și filtrate de caracteristicile sistemului audio și ale camerei.

Audio și muzică live

Feedbackul audio (cunoscut și sub numele de feedback acustic, pur și simplu ca feedback sau efectul Larsen) este un tip special de feedback pozitiv care apare atunci când există o buclă de sunet între o intrare audio (de exemplu, un microfon sau o chitară ) și o ieșire audio (de exemplu, un difuzor puternic amplificat ). În acest exemplu, un semnal primit de microfon este amplificat și transmis din difuzor. Sunetul de la difuzor poate fi apoi recepționat din nou de microfon, amplificat în continuare și apoi transmis din nou prin difuzor. Frecvența sunetului rezultat este determinat de frecvențele de rezonanță în microfon, amplificator și difuzor, acustica camerei, direcțională pick-up și emisie modele de microfon și difuzor, iar distanța dintre ele. Pentru sistemele PA mici , sunetul este ușor recunoscut ca un țipăt puternic sau un țipăt.

Feedback-ul este aproape întotdeauna considerat nedorit atunci când apare cu microfonul unui cântăreț sau al unui difuzor public la un eveniment folosind un sistem de întărire a sunetului sau un sistem PA . Inginerii audio folosesc diverse dispozitive electronice, cum ar fi egalizatoarele și, începând din anii 1990, dispozitive automate de detectare a feedback-ului pentru a preveni aceste scârțâituri nedorite sau sunete care scot, care diminuează plăcerea publicului față de eveniment. Pe de altă parte, începând cu anii 1960, jucătorii de chitară electrică din trupele de muzică rock care folosesc amplificatoare de chitară puternice și efecte de distorsiune au creat în mod intenționat feedback-ul chitara pentru a crea un efect muzical de dorit. „I Feel Fine” de Beatles marchează unul dintre primele exemple de utilizare a feedback-ului ca efect de înregistrare în muzica populară. Începe cu o singură notă de feedback percutantă produsă prin smulgerea coardei A pe chitara lui Lennon. Artiști precum Kinks și Who au folosit deja feedbackul live, dar Lennon a rămas mândru de faptul că Beatles a fost probabil primul grup care l-a pus în mod deliberat pe vinil. Într-unul dintre ultimele sale interviuri, el a spus: „Sfid pe oricine să găsească un disc - dacă nu este un disc vechi de blues în 1922 - care folosește feedback-ul în acest fel."

Principiile feedback-ului audio au fost descoperite pentru prima dată de omul de știință danez Søren Absalon Larsen . Microfoanele nu sunt singurele traductoare supuse acestui efect. Cartușele de preluare a punții de înregistrare pot face același lucru, de obicei în gama de frecvențe joase sub aproximativ 100 Hz, manifestându-se ca un zgomot redus. Jimi Hendrix a fost un inovator în utilizarea intenționată a feedback-ului la chitară în solo-urile sale de chitară pentru a crea efecte sonore unice. El a ajutat la dezvoltarea utilizării controlate și muzicale a feedback-ului audio în jocul de chitară electrică , iar mai târziu Brian May a fost un susținător celebru al tehnicii.

Video

În mod similar, dacă o cameră video este îndreptată spre un ecran de monitor care afișează propriul semnal al camerei, atunci se pot forma modele repetate pe ecran prin feedback pozitiv. Acest efect de feedback video a fost folosit în secvențele de deschidere ale primelor zece serii ale programului de televiziune Doctor Who .

Comutatoare

În comutatoarele electrice , inclusiv termostatele pe bandă bimetalică , comutatorul are de obicei histerezis în acțiunea de comutare. În aceste cazuri histerezisul se realizează mecanic prin feedback pozitiv în cadrul unui mecanism de punct de basculare. Acțiunea de reacție pozitivă minimizează durata arcului în timpul comutării și menține contactele într-o stare deschisă sau închisă.

În biologie

Feedbackul pozitiv este amplificarea răspunsului unui corp la un stimul. De exemplu, la naștere, când capul fătului împinge în sus împotriva colului uterin (1) stimulează un impuls nervos de la colul uterin la creier (2). Când creierul este notificat, acesta semnalează glanda pituitară să elibereze un hormon numit oxitocină (3). Oxitocina este apoi transportată prin fluxul sanguin către uter (4) provocând contracții, împingând fătul spre colul uterin inducând în cele din urmă nașterea.

În fiziologie

O serie de exemple de sisteme de feedback pozitiv pot fi găsite în fiziologie .

  • Un exemplu este debutul contracțiilor la naștere , cunoscut sub numele de reflexul Ferguson . Când apare o contracție, hormonul oxitocină provoacă un stimul nervos, care stimulează hipotalamusul să producă mai mult oxitocină, ceea ce crește contracțiile uterine. Acest lucru duce la contracții care cresc în amplitudine și frecvență .
  • Un alt exemplu este procesul de coagulare a sângelui . Bucla este inițiată atunci când țesutul rănit eliberează substanțe chimice semnal care activează trombocite în sânge. O trombocită activată eliberează substanțe chimice pentru a activa mai multe trombocite, provocând o cascadă rapidă și formarea unui cheag de sânge.
  • Alăptarea implică, de asemenea, un feedback pozitiv prin faptul că, pe măsură ce bebelușul alăptează mamelonul, există un răspuns nervos în măduva spinării și în hipotalamusul creierului, care apoi stimulează glanda pituitară să producă mai multă prolactină pentru a produce mai mult lapte.
  • O creștere a estrogenului în timpul fazei foliculare a ciclului menstrual provoacă ovulația .
  • Generarea de semnale nervoase este un alt exemplu, în care membrana unei fibre nervoase provoacă scurgeri ușoare de ioni de sodiu prin canalele de sodiu, rezultând o modificare a potențialului membranei, care la rândul său determină o deschidere mai mare a canalelor și așa mai departe ( Hodgkin ciclu ). Deci, o ușoară scurgere inițială are ca rezultat o explozie de scurgere de sodiu care creează potențialul de acțiune a nervului .
  • În cuplarea excitație-contracție a inimii, o creștere a ionilor de calciu intracelulari la miocitul cardiac este detectată de receptorii ryanodinei din membrana reticulului sarcoplasmatic care transportă calciul în citosol într-un răspuns fiziologic de feedback pozitiv.

În majoritatea cazurilor, astfel de bucle de feedback culminează cu eliberarea de contra-semnale care suprimă sau întrerup bucla. Contracțiile nașterii se opresc atunci când copilul este în afara corpului mamei. Substanțele chimice descompun cheagul de sânge. Alăptarea se oprește când bebelușul nu mai alăptează.

În reglarea genelor

Feedbackul pozitiv este un fenomen bine studiat în reglarea genelor, unde este cel mai adesea asociat cu bistabilitatea . Feedbackul pozitiv apare atunci când o genă se activează direct sau indirect printr-o buclă de feedback negativ dublu. Inginerii genetici au construit și testat rețele simple de feedback pozitiv în bacterii pentru a demonstra conceptul de bistabilitate. Un exemplu clasic de feedback pozitiv este operonul lac în E. coli . Feedbackul pozitiv joacă un rol integral în diferențierea celulară, dezvoltarea și progresia cancerului și, prin urmare, feedback-ul pozitiv în reglarea genelor poate avea consecințe fiziologice semnificative. Mișcările aleatorii din dinamica moleculară, împreună cu feedback-ul pozitiv, pot declanșa efecte interesante, cum ar fi crearea populației de celule fenotipice diferite din aceeași celulă mamă. Acest lucru se întâmplă deoarece zgomotul se poate amplifica prin feedback pozitiv. Feedbackul pozitiv poate apărea și în alte forme de semnalizare celulară , cum ar fi cinetica enzimatică sau căile metabolice.

În biologia evolutivă

Bucle de feedback pozitive au fost folosite pentru a descrie aspecte ale dinamicii schimbării în evoluția biologică . De exemplu, începând de la nivel macro, Alfred J. Lotka (1945) a susținut că evoluția speciei este cel mai mult o chestiune de selecție care alimentează fluxurile de energie pentru a capta din ce în ce mai multă energie pentru a fi utilizată de sistemele vii. La nivel uman, Richard D. Alexander (1989) a propus că competiția socială între și în interiorul grupurilor umane s-a alimentat înapoi la selecția inteligenței, producând astfel o inteligență umană din ce în ce mai rafinată. Crespi (2004) a discutat alte câteva exemple de bucle de feedback pozitiv în evoluție. Analogia curselor armamentare evolutive oferă exemple suplimentare de feedback pozitiv în sistemele biologice.

În timpul fanerozoicului, biodiversitatea arată o creștere constantă, dar nu monotonă, de la aproape zero la câteva mii de genuri.

S-a demonstrat că modificările biodiversității prin fanerozoic se corelează mult mai bine cu modelul hiperbolic (utilizat pe scară largă în demografie și macrosociologie ) decât cu modelele exponențiale și logistice (utilizate în mod tradițional în biologia populației și aplicate pe scară largă și biodiversității fosile ). Ultimele modele implică faptul că modificările diversității sunt ghidate de un feedback pozitiv de prim ordin (mai mulți strămoși, mai mulți descendenți) și / sau un feedback negativ care rezultă din limitarea resurselor. Modelul hiperbolic implică un feedback pozitiv de ordinul doi. S- a demonstrat că modelul hiperbolic al creșterii populației mondiale (vezi mai jos) rezultă dintr-un feedback pozitiv de ordinul doi între dimensiunea populației și rata de creștere tehnologică . Caracterul hiperbolic al creșterii biodiversității poate fi explicat în mod similar printr-un feedback pozitiv între diversitate și complexitatea structurii comunității. S-a sugerat că similitudinea dintre curbele biodiversității și populația umană provine probabil din faptul că ambele sunt derivate din interferența tendinței hiperbolice (produse de feedback-ul pozitiv) cu dinamica ciclică și stocastică.

Sistem imunitar

O furtună de citokine sau hipercitokinemie este o reacție imună potențial fatală constând dintr-o buclă de feedback pozitiv între citokine și celulele imune , cu niveluri ridicate de diferite citokine. În funcția imună normală, buclele de feedback pozitiv pot fi utilizate pentru a spori acțiunea limfocitelor B. Atunci când o celulă B își leagă anticorpii de un antigen și devine activată, începe să elibereze anticorpi și să secrete o proteină complementară numită C3. Atât anticorpii C3, cât și celulele B se pot lega de un agent patogen, iar atunci când o celulă B are anticorpii săi se leagă de un agent patogen cu C3, accelerează secreția celulei B de mai mulți anticorpi și mai mult C3, creând astfel o buclă de feedback pozitivă.

Moartea celulelor

Apoptoza este un proces de moarte celular mediat de caspază , al cărui scop este îndepărtarea celulelor cu durată lungă de viață sau deteriorate. Eșecul acestui proces a fost implicat în afecțiuni proeminente precum cancerul sau boala Parkinson . Nucleul procesului apoptotic este activarea automată a caspazelor, care poate fi modelată printr-o buclă de feedback pozitiv. Acest feedback pozitiv exercită o auto-activare a caspazei efectoare prin intermediul caspazelor intermediare. Când este izolat de restul căii apoptotice, acest feedback pozitiv prezintă o singură stare stabilă stabilă, indiferent de numărul de pași intermediari de activare ai caspazei efectoare. Când acest proces de bază este completat cu inhibitori și potențatori ai efectelor caspazelor, acest proces prezintă bistabilitate, modelând astfel stările vii și pe moarte ale unei celule.

În psihologie

Winner (1996) a descris copiii supradotați ca fiind conduși de bucle de feedback pozitiv care implică stabilirea propriului curs de învățare, ceea ce alimentează satisfacția, stabilindu-și astfel obiectivele de învățare la niveluri superioare și așa mai departe. Câștigătorul a numit această buclă de feedback pozitiv ca o „furie de a stăpâni”. Vandervert (2009a, 2009b) a propus ca minunea copilului să poată fi explicată în termeni de buclă de feedback pozitivă între ieșirea gândirii / performanței în memoria de lucru , care este apoi alimentată în cerebel unde este raționalizată, și apoi alimentată înapoi la lucru memoria crescând astfel în mod constant producția cantitativă și calitativă a memoriei de lucru. Vandervert a mai susținut că această memorie de lucru / bucla de feedback pozitiv cerebelos a fost responsabilă pentru evoluția limbajului în memoria de lucru.

În economie

Piețe cu influență socială

S-a demonstrat că recomandările și informațiile despre produse despre achizițiile anterioare influențează în mod semnificativ alegerile consumatorilor, indiferent dacă este vorba de muzică, filme, cărți, tehnologice și alte tipuri de produse. Influența socială induce adesea un fenomen bogat în îmbogățire ( efectul Matthew ) în care produsele populare tind să devină și mai populare.

Dinamica pieței

Conform teoriei reflexivității avansată de George Soros , schimbările de preț sunt determinate de un proces de feedback pozitiv prin care așteptările investitorilor sunt influențate de mișcările prețurilor, astfel încât comportamentul lor acționează pentru a întări mișcarea în acea direcție până când devine nedurabilă, după care feedback-ul conduce prețurile în sensul opus.

Risc sistemic

Riscul sistemic este riscul pe care îl prezintă un sistem un proces de amplificare sau pârghie sau feedback pozitiv. Acest lucru este de obicei necunoscut și, în anumite condiții, acest proces se poate amplifica exponențial și poate duce rapid la un comportament distructiv sau haotic . Un sistem Ponzi este un bun exemplu de sistem de feedback pozitiv: fondurile de la noi investitori sunt folosite pentru a plăti randamente neobișnuit de mari, care la rândul lor atrag mai mulți investitori noi, provocând o creștere rapidă spre prăbușire. W. Brian Arthur a studiat și a scris și despre feedback-ul pozitiv în economie (de exemplu, W. Brian Arthur, 1990). Hyman Minsky a propus o teorie conform căreia anumite practici de extindere a creditului ar putea transforma o economie de piață într-un „sistem de amplificare a deviației” care s-ar putea prăbuși brusc, uneori numit „ moment Minsky ”.

Sistemele simple care separă clar intrările de ieșiri nu sunt predispuse la risc sistemic . Acest risc este mai probabil pe măsură ce complexitatea sistemului crește, deoarece devine mai dificil să vezi sau să analizezi toate combinațiile posibile de variabile din sistem chiar și în condiții de testare a stresului. Cu cât este mai eficient un sistem complex, cu atât este mai probabil să fie predispus la riscuri sistemice, deoarece este nevoie doar de o mică abatere pentru a perturba sistemul. Prin urmare, sistemele complexe bine proiectate au în general caracteristici încorporate pentru a evita această condiție, cum ar fi o cantitate mică de frecare, rezistență sau inerție sau întârziere pentru a decupla ieșirile de intrările din sistem. Acești factori se ridică la o ineficiență, dar sunt necesari pentru a evita instabilitățile.

2010 Flash Crash Incidentul a fost pusă pe seama practicii de înaltă frecvență de tranzacționare (HFT), deși dacă HFT crește într - adevăr un risc sistemic rămâne controversată.

Creșterea populației umane

Agricultura și populația umană pot fi considerate a fi într-un mod de feedback pozitiv, ceea ce înseamnă că unul îl conduce pe celălalt cu o intensitate crescândă. Se sugerează că acest sistem de feedback pozitiv se va termina cândva cu o catastrofă, deoarece agricultura modernă folosește tot fosfatul ușor disponibil și recurge la monoculturi extrem de eficiente, care sunt mai susceptibile la risc sistemic .

Inovația tehnologică și populația umană pot fi considerate în mod similar și acest lucru a fost oferit ca o explicație pentru creșterea aparentă hiperbolică a populației umane în trecut, în loc de o creștere exponențială mai simplă . Se propune că rata de creștere se accelerează din cauza feedback-ului pozitiv de ordinul doi între populație și tehnologie. Creșterea tehnologică crește capacitatea de transport a terenurilor pentru oameni, ceea ce duce la o creștere a populației, iar aceasta, la rândul său, determină o creștere tehnologică suplimentară.

Prejudecată, instituții sociale și sărăcie

Gunnar Myrdal a descris un cerc vicios de inegalități în creștere și sărăcie, care este cunoscut sub numele de „ cauzalitate circulară cumulativă ”.

În meteorologie

Seceta se intensifică prin feedback pozitiv. Lipsa ploii scade umiditatea solului, care ucide plantele și / sau determină eliberarea mai puțină apă prin transpirație . Ambii factori limitează evapotranspirația , procesul prin care se adaugă vapori de apă în atmosferă de la suprafață și adaugă praf uscat în atmosferă, care absoarbe apa. Mai puțini vapori de apă înseamnă atât temperaturi scăzute ale punctului de rouă , cât și o încălzire mai eficientă în timpul zilei, scăzând șansele de umiditate în atmosferă care duc la formarea norilor. În cele din urmă, fără nori, nu poate fi ploaie, iar bucla este completă.

În climatologie

„Forțările” climatice pot împinge un sistem climatic în direcția încălzirii sau răcirii, de exemplu, concentrațiile atmosferice crescute de gaze cu efect de seră provoacă încălzirea la suprafață. Forțările sunt externe sistemului climatic, iar feedback-urile sunt procese interne ale sistemului. Unele mecanisme de feedback acționează în relativă izolare față de restul sistemului climatic, în timp ce altele sunt strâns legate. Forțările, feedback-urile și dinamica sistemului climatic determină cât și cât de repede se schimbă clima. Principalul feedback pozitiv în încălzirea globală este tendința încălzirii de a crește cantitatea de vapori de apă din atmosferă, ceea ce la rândul său duce la o încălzire suplimentară. Principalul feedback negativ provine din legea Stefan – Boltzmann , cantitatea de căldură radiată de pe Pământ în spațiu este proporțională cu a patra putere a temperaturii suprafeței și atmosferei Pământului.

Alte exemple de subsisteme de feedback pozitiv în climatologie includ:

  • O atmosferă mai caldă va topi gheața și acest lucru schimbă albedo - ul care încălzește și mai mult atmosfera.
  • Hidrații de metan pot fi instabili, astfel încât un ocean care se încălzește ar putea elibera mai mult metan , care este, de asemenea, un gaz cu efect de seră.
  • Turba , care apare în mod natural în turbării , conține carbon. Când turba se usucă se descompune și poate arde suplimentar. Turba eliberează, de asemenea, oxid de azot .
  • Încălzirea globală afectează distribuția norilor. Norii la altitudini mai mari sporesc efectele de seră, în timp ce norii joși reflectă în principal lumina soarelui, având efecte opuse asupra temperaturii.

Al patrulea raport de evaluare al Grupului interguvernamental privind schimbările climatice (IPCC) afirmă că „încălzirea antropogenă ar putea duce la unele efecte bruste sau ireversibile, în funcție de rata și amploarea schimbărilor climatice”.

În sociologie

O profeție care se auto-împlinește este o buclă de feedback social pozitiv între credințe și comportament: dacă destui oameni cred că ceva este adevărat, comportamentul lor îl poate face adevărat, iar observațiile comportamentului lor pot, la rândul lor, crește credința. Un exemplu clasic este gestionarea unei bănci .

Un alt exemplu sociologic de feedback pozitiv este efectul de rețea . Atunci când mai mulți oameni sunt încurajați să se alăture unei rețele, aceasta crește acoperirea rețelei, prin urmare, rețeaua se extinde din ce în ce mai repede. Un videoclip viral este un exemplu de efect de rețea în care linkurile către un videoclip popular sunt partajate și redistribuite, asigurându-se că mai mulți oameni văd videoclipul și apoi publică din nou linkurile. Aceasta este baza pentru multe fenomene sociale, inclusiv scheme Ponzi și scrisori în lanț . În multe cazuri, dimensiunea populației este factorul limitativ al efectului de feedback.

În chimie

Dacă o reacție chimică determină eliberarea de căldură și reacția în sine are loc mai repede la temperaturi mai ridicate, atunci există o mare probabilitate de feedback pozitiv. Dacă căldura produsă nu este îndepărtată din reactanți suficient de repede, poate apărea o fugă termică și poate duce foarte repede la o explozie chimică .

În conservare

Multe animale sălbatice sunt vânate pentru părțile lor, care pot fi destul de valoroase. Cu cât devin mai aproape de dispariție speciile vizate, cu atât este mai mare prețul pe care îl au părțile lor. Acesta este un exemplu de feedback pozitiv.

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

  • Norbert Wiener (1948), Cibernetică sau Control și comunicare în animal și mașină , Paris, Hermann et Cie - MIT Press, Cambridge, MA.
  • Katie Salen și Eric Zimmerman. Regulile de joc . Apăsați MIT . 2004. ISBN  0-262-24045-9 . Capitolul 18: Jocurile ca sisteme cibernetice.

linkuri externe