Riscontro positivo - Positive feedback

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A volte l'allarme o il panico possono essere diffusi da un feedback positivo tra un branco di animali e provocare una fuga precipitosa .
Diagramma del ciclo causale che descrive le cause di una fuga precipitosa come un ciclo di feedback positivo.
In sociologia un effetto di rete può creare rapidamente il feedback positivo di una corsa agli sportelli . La foto sopra è della corsa agli sportelli britannici Northern Rock 2007 .

Il feedback positivo ( feedback esacerbante , feedback auto-rinforzante ) è un processo che si verifica in un ciclo di feedback che esacerba gli effetti di un piccolo disturbo. Cioè, gli effetti di una perturbazione su un sistema includono un aumento dell'entità della perturbazione. Cioè, una produce più di B che a sua volta produce più di A . Al contrario, un sistema in cui i risultati di un cambiamento agiscono per ridurlo o contrastarlo ha un feedback negativo . Entrambi i concetti svolgono un ruolo importante nella scienza e nell'ingegneria, comprese la biologia, la chimica e la cibernetica .

Matematicamente, il feedback positivo è definito come un guadagno ad anello positivo attorno a un circuito chiuso di causa ed effetto. Cioè, il feedback positivo è in fase con l'input, nel senso che aggiunge per rendere l'input più grande. Il feedback positivo tende a causare instabilità del sistema . Quando il guadagno del loop è positivo e superiore a 1, ci sarà tipicamente una crescita esponenziale , oscillazioni crescenti , comportamento caotico o altre divergenze dall'equilibrio . I parametri di sistema tipicamente accelerano verso valori estremi, che possono danneggiare o distruggere il sistema, o possono terminare con il sistema bloccato in un nuovo stato stabile. Il feedback positivo può essere controllato da segnali nel sistema che vengono filtrati , smorzati o limitati , oppure può essere annullato o ridotto aggiungendo feedback negativo.

Il feedback positivo viene utilizzato nell'elettronica digitale per forzare le tensioni lontano dalle tensioni intermedie negli stati "0" e "1". D'altra parte, la fuga termica è un tipo di feedback positivo che può distruggere le giunzioni dei semiconduttori . Il feedback positivo nelle reazioni chimiche può aumentare la velocità delle reazioni e in alcuni casi può portare a esplosioni . Il feedback positivo nella progettazione meccanica fa sì che i meccanismi del punto di ribaltamento , o "over-center", scattino in posizione, ad esempio negli interruttori e nelle pinze di bloccaggio . Fuori controllo, può far crollare i ponti . Il feedback positivo nei sistemi economici può causare cicli di boom e poi di fallimento . Un esempio familiare di feedback positivo è il suono stridulo o ululato prodotto dal feedback audio nei sistemi di diffusione sonora: il microfono raccoglie il suono dai propri altoparlanti, lo amplifica e lo invia di nuovo attraverso gli altoparlanti.

La coagulazione piastrinica dimostra un feedback positivo. La parete danneggiata dei vasi sanguigni rilascia sostanze chimiche che avviano la formazione di un coagulo di sangue attraverso la congregazione piastrinica. Man mano che si raccolgono più piastrine, vengono rilasciate più sostanze chimiche che accelerano il processo. Il processo diventa sempre più veloce fino a quando la parete dei vasi sanguigni non è completamente sigillata e il ciclo di feedback positivo è terminato. La forma esponenziale del grafico illustra il meccanismo di feedback positivo.

Panoramica

Il feedback positivo migliora o amplifica un effetto influenzando il processo che lo ha generato. Ad esempio, quando una parte di un segnale di uscita elettronico ritorna all'ingresso ed è in fase con esso, il guadagno del sistema viene aumentato. Il feedback dal risultato al processo di origine può essere diretto o tramite altre variabili di stato. Tali sistemi possono fornire comportamenti qualitativi ricchi, ma se il feedback è istantaneamente positivo o negativo in segno ha un'influenza estremamente importante sui risultati. Il feedback positivo rafforza e il feedback negativo modera il processo originale. Positivo e negativo in questo senso si riferiscono a guadagni di loop maggiori o minori di zero e non implicano alcun giudizio di valore sull'opportunità dei risultati o degli effetti. Una caratteristica fondamentale del feedback positivo è quindi che i piccoli disturbi aumentano. Quando si verifica un cambiamento in un sistema, il feedback positivo provoca un ulteriore cambiamento, nella stessa direzione.

Di base

Un sistema di feedback di base può essere rappresentato da questo diagramma a blocchi. Nel diagramma il simbolo + è un sommatore e A e B sono funzioni causali arbitrarie .

Un semplice ciclo di feedback è mostrato nel diagramma. Se il guadagno del loop AB è positivo, esiste una condizione di feedback positivo o rigenerativo .

Se le funzioni A e B sono lineari e AB è minore dell'unità, il guadagno complessivo del sistema dall'input all'output è finito, ma può essere molto grande quando AB si avvicina all'unità. In tal caso, si può dimostrare che il guadagno complessivo o "anello chiuso" dall'ingresso all'uscita è:

Quando AB> 1, il sistema è instabile, quindi non ha un guadagno ben definito; il guadagno può essere definito infinito.

Pertanto, a seconda del feedback, i cambiamenti di stato possono essere convergenti o divergenti. Il risultato di un feedback positivo è quello di aumentare i cambiamenti, in modo che piccole perturbazioni possano provocare grandi cambiamenti.

Un sistema in equilibrio in cui c'è un feedback positivo a qualsiasi cambiamento dal suo stato attuale può essere instabile, nel qual caso si dice che il sistema sia in un equilibrio instabile . L'entità delle forze che agiscono per allontanare un tale sistema dal suo equilibrio sono una funzione crescente della "distanza" dello stato dall'equilibrio.

Il feedback positivo non implica necessariamente l'instabilità di un equilibrio, ad esempio possono esistere stati di attivazione e disattivazione stabili nelle architetture di feedback positivo.

Isteresi

L'isteresi fa sì che il valore dell'uscita dipenda dalla cronologia dell'ingresso
In un circuito trigger di Schmitt , il feedback all'ingresso non invertente di un amplificatore spinge l'uscita direttamente dalla tensione applicata verso la tensione massima o minima che l'amplificatore può generare.

Nel mondo reale, i cicli di feedback positivi in ​​genere non causano una crescita sempre crescente, ma vengono modificati limitando gli effetti di qualche tipo. Secondo Donella Meadows :

"I loop di feedback positivi sono fonti di crescita, esplosione, erosione e collasso nei sistemi. Un sistema con un loop positivo non controllato alla fine si autodistruggerà. Ecco perché ce ne sono così pochi. Di solito un loop negativo entrerà in funzione prima o poi. "

L'isteresi, in cui il punto di partenza influisce sul punto in cui va a finire il sistema, può essere generata da un feedback positivo. Quando il guadagno del circuito di feedback è superiore a 1, l'uscita si allontana dall'ingresso: se è superiore all'ingresso si sposta verso il limite positivo più vicino, mentre se è inferiore all'ingresso si sposta verso il negativo più vicino limite.

Una volta raggiunto il limite, sarà stabile. Tuttavia, se l'ingresso supera il limite, il feedback cambierà segno e l'uscita si sposterà nella direzione opposta fino a raggiungere il limite opposto. Il sistema quindi mostra un comportamento bistabile .

Terminologia

I termini positivo e negativo sono stati applicati per la prima volta al feedback prima della seconda guerra mondiale . L'idea del feedback positivo era già presente negli anni '20 con l'introduzione del circuito rigenerativo .

Friis e Jensen (1924) descrissero la rigenerazione in una serie di amplificatori elettronici come un caso in cui l'azione di "feed-back" è positiva in contrasto con l'azione di feed-back negativa, che menzionano solo di sfuggita. Il classico articolo del 1934 di Harold Stephen Black descrive in primo luogo l'uso del feedback negativo negli amplificatori elettronici. Secondo Black:

"Il feed-back positivo aumenta il guadagno dell'amplificatore, il feed-back negativo lo riduce."

Secondo Mindell (2002) la confusione nei termini è sorta poco dopo questo:

"... Friis e Jensen avevano operato la stessa distinzione usata da Black tra 'feed-back positivo' e 'feed-back negativo', in base non al segno del feedback stesso ma piuttosto al suo effetto sul guadagno dell'amplificatore. Al contrario , Nyquist e Bode, quando si basarono sul lavoro di Black, si riferirono al feedback negativo come a quello con il segno invertito. Black ebbe difficoltà a convincere gli altri dell'utilità della sua invenzione, in parte perché esisteva confusione su questioni fondamentali di definizione. "

Esempi e applicazioni

Nell'elettronica

Un radioricevitore rigenerativo in stile vintage. A causa dell'uso controllato del feedback positivo, è possibile ottenere un'amplificazione sufficiente da un singolo tubo a vuoto o valvola (al centro).

I circuiti rigenerativi furono inventati e brevettati nel 1914 per l'amplificazione e la ricezione di segnali radio molto deboli. Il feedback positivo attentamente controllato attorno a un singolo amplificatore a transistor può moltiplicarne il guadagno per 1.000 o più. Pertanto, un segnale può essere amplificato 20.000 o anche 100.000 volte in uno stadio, che normalmente avrebbe un guadagno solo da 20 a 50. Il problema con gli amplificatori rigenerativi che lavorano a questi guadagni molto alti è che diventano facilmente instabili e iniziano ad oscillare. L'operatore radio deve essere pronto a modificare la quantità di feedback abbastanza continuamente per una buona ricezione. I ricevitori radio moderni utilizzano il design supereterodina , con molti più stadi di amplificazione, ma un funzionamento molto più stabile e nessun feedback positivo.

L'oscillazione che può scoppiare in un circuito radio rigenerativo viene utilizzata negli oscillatori elettronici . Con l'uso di circuiti sintonizzati o di un cristallo piezoelettrico (comunemente al quarzo ), il segnale che viene amplificato dal feedback positivo rimane lineare e sinusoidale . Esistono diversi modelli per tali oscillatori armonici , tra cui l' oscillatore Armstrong , l' oscillatore Hartley , l' oscillatore Colpitts e l' oscillatore a ponte Wien . Tutti usano un feedback positivo per creare oscillazioni.

Molti circuiti elettronici, in particolare amplificatori, incorporano un feedback negativo . Questo riduce il guadagno, ma migliora la loro linearità, impedenza di ingresso , impedenza di uscita , e la larghezza di banda , e stabilizza tutti questi parametri, tra cui il guadagno ad anello chiuso. Questi parametri diventano anche meno dipendenti dai dettagli del dispositivo di amplificazione stesso e più dipendenti dai componenti di feedback, che hanno meno probabilità di variare con la tolleranza di produzione, l'età e la temperatura. La differenza tra feedback positivo e negativo per segnali AC è di fase : se il segnale viene rimandato fuori fase, il feedback è negativo e se è in fase il feedback è positivo. Un problema per i progettisti di amplificatori che utilizzano il feedback negativo è che alcuni dei componenti del circuito introdurranno uno spostamento di fase nel percorso del feedback. Se c'è una frequenza (di solito un'alta frequenza) in cui lo sfasamento raggiunge i 180 °, il progettista deve assicurarsi che il guadagno dell'amplificatore a quella frequenza sia molto basso (di solito mediante filtraggio passa-basso ). Se il guadagno del loop (il prodotto del guadagno dell'amplificatore e l'entità del feedback positivo) a qualsiasi frequenza è maggiore di uno, l'amplificatore oscillerà a quella frequenza ( criterio di stabilità di Barkhausen ). Tali oscillazioni sono talvolta chiamate oscillazioni parassite . Un amplificatore stabile in un insieme di condizioni può sfociare in oscillazioni parassite in un altro. Ciò può essere dovuto a variazioni di temperatura, tensione di alimentazione, regolazione dei controlli del pannello anteriore o persino alla vicinanza di una persona o di un altro oggetto conduttivo.

Gli amplificatori possono oscillare delicatamente in modi difficili da rilevare senza un oscilloscopio , oppure le oscillazioni possono essere così estese da far passare solo un segnale molto distorto o non richiesto, oppure si verifica un danno. Le oscillazioni parassite a bassa frequenza sono state chiamate "motonautica" a causa della somiglianza con il suono di una nota di scarico a basso numero di giri.

L'effetto dell'utilizzo di un trigger di Schmitt (B) invece di un comparatore (A)

Molti circuiti elettronici digitali comuni utilizzano un feedback positivo. Mentre le normali porte logiche booleane semplici di solito si basano semplicemente sul guadagno per spingere le tensioni del segnale digitale lontano dai valori intermedi ai valori che dovrebbero rappresentare booleani "0" e "1", ma molte porte più complesse utilizzano il feedback. Quando si prevede che una tensione di ingresso vari in modo analogico , ma sono necessarie soglie precise per la successiva elaborazione digitale, il circuito trigger di Schmitt utilizza un feedback positivo per garantire che se la tensione di ingresso si insinua leggermente al di sopra della soglia, l'uscita viene forzata in modo intelligente e rapido da uno stato logico all'altro. Uno dei corollari dell'uso del feedback positivo da parte del trigger di Schmitt è che, se la tensione di ingresso si sposta nuovamente verso il basso oltre la stessa soglia, il feedback positivo manterrà l'uscita nello stesso stato senza modifiche. Questo effetto è chiamato isteresi : la tensione di ingresso deve scendere oltre una soglia inferiore diversa per "sbloccare" l'uscita e ripristinarla al suo valore digitale originale. Riducendo l'entità del feedback positivo, l'ampiezza dell'isteresi può essere ridotta, ma non può essere completamente eliminata. Il trigger di Schmitt è, in una certa misura, un circuito di blocco .

Il feedback positivo è un meccanismo mediante il quale viene potenziato un output, come i livelli di proteine. Tuttavia, al fine di evitare qualsiasi fluttuazione del livello proteico, il meccanismo viene inibito stocasticamente (I), quindi quando la concentrazione della proteina attivata (A) supera la soglia ([I]), il meccanismo ad anello viene attivato e il la concentrazione di A aumenta esponenzialmente se d [A] = k [A]
Illustrazione di una RS ( 'Reset-set') flip-flop fatto da due digitali cancelli con risposte positive. Il rosso e il nero significano rispettivamente "1" e "0" logici.

Un flip-flop elettronico , o "latch", o " multivibratore bistabile ", è un circuito che a causa dell'elevata retroazione positiva non è stabile in uno stato bilanciato o intermedio. Un tale circuito bistabile è la base di un bit di memoria elettronica . Il flip-flop utilizza una coppia di amplificatori, transistor o porte logiche collegati tra loro in modo che il feedback positivo mantenga lo stato del circuito in uno dei due stati stabili sbilanciati dopo che il segnale di ingresso è stato rimosso, fino a quando non viene fornito un segnale alternativo appropriato applicato per cambiare lo stato. La memoria ad accesso casuale del computer (RAM) può essere realizzata in questo modo, con un circuito di aggancio per ogni bit di memoria.

La fuga termica si verifica nei sistemi elettronici perché alcuni aspetti di un circuito possono far passare più corrente quando diventa più caldo, quindi più caldo diventa, più corrente passa, che lo riscalda un po 'di più e quindi passa ancora più corrente. Gli effetti sono generalmente catastrofici per il dispositivo in questione. Se i dispositivi devono essere utilizzati in prossimità della loro massima capacità di gestione della potenza e in determinate condizioni è possibile o probabile una fuga termica, i miglioramenti possono essere generalmente ottenuti mediante un'attenta progettazione.

Un giradischi fonografo è soggetto a feedback acustico.

I sistemi audio e video possono dimostrare un feedback positivo. Se un microfono rileva l'uscita audio amplificata degli altoparlanti nello stesso circuito, si sentiranno ululati e stridii di feedback audio (fino alla massima capacità di potenza dell'amplificatore), poiché il rumore casuale viene nuovamente amplificato dal feedback positivo e filtrato dalle caratteristiche dell'impianto audio e dell'ambiente.

Audio e musica dal vivo

Il feedback audio (noto anche come feedback acustico, semplicemente come feedback o effetto Larsen) è un tipo speciale di feedback positivo che si verifica quando esiste un loop audio tra un ingresso audio (ad esempio, un microfono o un pickup per chitarra ) e un'uscita audio (ad esempio, un altoparlante amplificato ). In questo esempio, un segnale ricevuto dal microfono viene amplificato e trasmesso dall'altoparlante. Il suono dell'altoparlante può quindi essere nuovamente ricevuto dal microfono, amplificato ulteriormente e quindi trasmesso di nuovo attraverso l'altoparlante. La frequenza del suono risultante è determinata dalle frequenze di risonanza del microfono, dell'amplificatore e dell'altoparlante, dall'acustica della stanza, dalla ricezione direzionale e dai modelli di emissione del microfono e dell'altoparlante e dalla distanza tra loro. Per i piccoli sistemi PA il suono viene prontamente riconosciuto come un forte stridio o stridio.

Il feedback è quasi sempre considerato indesiderabile quando si verifica con il microfono di un cantante o di un oratore pubblico durante un evento utilizzando un sistema di amplificazione del suono o un sistema PA . Gli ingegneri del suono utilizzano vari dispositivi elettronici, come equalizzatori e, dagli anni '90, dispositivi di rilevamento automatico del feedback per prevenire questi stridii indesiderati o suoni striduli, che sminuiscono il divertimento del pubblico dell'evento. D'altra parte, dagli anni '60, i chitarristi elettrici in gruppi di musica rock che utilizzano amplificatori per chitarra ad alto volume ed effetti di distorsione hanno intenzionalmente creato il feedback della chitarra per creare un effetto musicale desiderabile. "I Feel Fine" dei Beatles segna uno dei primi esempi di utilizzo del feedback come effetto di registrazione nella musica popolare. Inizia con una singola nota di feedback percussiva prodotta pizzicando la corda LA sulla chitarra di Lennon. Artisti come i Kinks e gli Who avevano già utilizzato il feedback dal vivo, ma Lennon rimase orgoglioso del fatto che i Beatles furono forse il primo gruppo a metterlo deliberatamente su vinile. In una delle sue ultime interviste, ha detto: "Sfido chiunque a trovare un disco - a meno che non sia un vecchio disco blues nel 1922 - che utilizzi il feedback in quel modo".

I principi del feedback audio sono stati scoperti per la prima volta dallo scienziato danese Søren Absalon Larsen . I microfoni non sono gli unici trasduttori soggetti a questo effetto. Le testine dei pickup del deck di registrazione possono fare lo stesso, di solito nella gamma delle basse frequenze al di sotto di circa 100 Hz, manifestandosi come un rombo basso. Jimi Hendrix è stato un innovatore nell'uso intenzionale del feedback di chitarra nei suoi assoli di chitarra per creare effetti sonori unici. Ha contribuito a sviluppare l'uso controllato e musicale del feedback audio nel suonare la chitarra elettrica , e in seguito Brian May è stato un famoso sostenitore della tecnica.

video

Allo stesso modo, se una videocamera viene puntata verso uno schermo monitor che sta visualizzando il segnale della videocamera, è possibile che sullo schermo si formino schemi ripetuti con un feedback positivo. Questo effetto di feedback video è stato utilizzato nelle sequenze di apertura delle prime dieci serie del programma televisivo Doctor Who .

Interruttori

Negli interruttori elettrici , compresi i termostati bimetallici basati su strisce , l'interruttore di solito ha isteresi nell'azione di commutazione. In questi casi l'isteresi è ottenuta meccanicamente tramite feedback positivo all'interno di un meccanismo del punto di non ritorno. L'azione di feedback positivo riduce al minimo la durata dell'arco durante la commutazione e mantiene i contatti in uno stato aperto o chiuso.

In biologia

Il feedback positivo è l'amplificazione della risposta di un corpo a uno stimolo. Ad esempio, durante il parto, quando la testa del feto spinge contro la cervice (1) stimola un impulso nervoso dalla cervice al cervello (2). Quando il cervello viene informato, segnala alla ghiandola pituitaria di rilasciare un ormone chiamato ossitocina (3). L'ossitocina viene quindi trasportata attraverso il flusso sanguigno all'utero (4) provocando contrazioni, spingendo il feto verso la cervice inducendo infine il parto.

In fisiologia

Alcuni esempi di sistemi di feedback positivi possono essere trovati in fisiologia .

  • Un esempio è l'inizio delle contrazioni durante il parto , noto come riflesso di Ferguson . Quando si verifica una contrazione, l'ormone ossitocina provoca uno stimolo nervoso, che stimola l' ipotalamo a produrre più ossitocina, il che aumenta le contrazioni uterine. Ciò si traduce in contrazioni che aumentano in ampiezza e frequenza .
  • Un altro esempio è il processo di coagulazione del sangue . Il ciclo viene avviato quando il tessuto danneggiato rilascia sostanze chimiche segnale che attivano le piastrine nel sangue. Una piastrina attivata rilascia sostanze chimiche per attivare più piastrine, provocando una rapida cascata e la formazione di un coagulo di sangue.
  • L'allattamento comporta anche un feedback positivo in quanto quando il bambino succhia dal capezzolo c'è una risposta nervosa nel midollo spinale e nell'ipotalamo del cervello, che quindi stimola la ghiandola pituitaria a produrre più prolattina per produrre più latte.
  • Un picco di estrogeni durante la fase follicolare del ciclo mestruale provoca l' ovulazione .
  • La generazione di segnali nervosi è un altro esempio, in cui la membrana di una fibra nervosa provoca una leggera perdita di ioni sodio attraverso i canali del sodio, con conseguente cambiamento del potenziale di membrana, che a sua volta provoca una maggiore apertura dei canali, e così via ( Hodgkin ciclo ). Quindi una leggera perdita iniziale si traduce in un'esplosione di perdita di sodio che crea il potenziale di azione nervosa .
  • In accoppiamento eccitazione-contrazione del cuore, un aumento di ioni calcio intracellulari a miociti cardiaci viene rilevata da recettori rianodinici nella membrana del reticolo sarcoplasmatico che trasporto di calcio fuori nel citosol in una risposta fisiologica risposte positive.

Nella maggior parte dei casi, tali circuiti di feedback culminano nel rilascio di contro-segnali che sopprimono o interrompono il ciclo. Le contrazioni del parto si interrompono quando il bambino è fuori dal corpo della madre. I prodotti chimici abbattono il coagulo di sangue. L'allattamento si interrompe quando il bambino non allatta più.

Nella regolazione genica

Il feedback positivo è un fenomeno ben studiato nella regolazione genica, dove è più spesso associato alla bistabilità . Il feedback positivo si verifica quando un gene si attiva direttamente o indirettamente tramite un doppio ciclo di feedback negativo. Gli ingegneri genetici hanno costruito e testato semplici reti di feedback positivo nei batteri per dimostrare il concetto di bistabilità. Un classico esempio di feedback positivo è l' operone lac in E. coli . Il feedback positivo gioca un ruolo fondamentale nella differenziazione cellulare, nello sviluppo e nella progressione del cancro e, pertanto, il feedback positivo nella regolazione genica può avere conseguenze fisiologiche significative. I movimenti casuali nella dinamica molecolare accoppiati con un feedback positivo possono innescare effetti interessanti, come creare una popolazione di cellule fenotipicamente diverse dalla stessa cellula madre. Ciò accade perché il rumore può essere amplificato da un feedback positivo. Il feedback positivo può anche verificarsi in altre forme di segnalazione cellulare , come la cinetica enzimatica o le vie metaboliche.

Nella biologia evolutiva

I cicli di feedback positivi sono stati utilizzati per descrivere aspetti delle dinamiche di cambiamento nell'evoluzione biologica . Ad esempio, a partire dal livello macro, Alfred J. Lotka (1945) ha sostenuto che l'evoluzione della specie era essenzialmente una questione di selezione che alimentava flussi di energia per catturare sempre più energia per l'uso da parte dei sistemi viventi. A livello umano, Richard D. Alexander (1989) ha proposto che la competizione sociale tra e all'interno dei gruppi umani si alimentasse alla selezione dell'intelligenza producendo così costantemente un'intelligenza umana sempre più raffinata. Crespi (2004) ha discusso diversi altri esempi di cicli di feedback positivi in ​​evoluzione. L'analogia delle corse agli armamenti evolutivi fornisce ulteriori esempi di feedback positivo nei sistemi biologici.

Durante il Fanerozoico la biodiversità mostra un aumento costante ma non monotono da quasi zero a diverse migliaia di generi.

È stato dimostrato che i cambiamenti nella biodiversità attraverso il Fanerozoico si correlano molto meglio con il modello iperbolico (ampiamente utilizzato in demografia e macrosociologia ) che con i modelli esponenziali e logistici (tradizionalmente utilizzati nella biologia delle popolazioni e ampiamente applicati anche alla biodiversità fossile ). Questi ultimi modelli implicano che i cambiamenti nella diversità siano guidati da un feedback positivo di primo ordine (più antenati, più discendenti) e / o da un feedback negativo derivante dalla limitazione delle risorse. Il modello iperbolico implica un feedback positivo di secondo ordine. È stato dimostrato che il modello iperbolico della crescita della popolazione mondiale (vedi sotto) deriva da un feedback positivo di secondo ordine tra la dimensione della popolazione e il tasso di crescita tecnologica . Il carattere iperbolico della crescita della biodiversità può essere similmente spiegato da un feedback positivo tra la diversità e la complessità della struttura della comunità. È stato suggerito che la somiglianza tra le curve di biodiversità e popolazione umana deriva probabilmente dal fatto che entrambe derivano dall'interferenza dell'andamento iperbolico (prodotto dal feedback positivo) con dinamiche cicliche e stocastiche.

Sistema immunitario

Una tempesta di citochine , o ipercitochina, è una reazione immunitaria potenzialmente fatale costituita da un ciclo di feedback positivo tra citochine e cellule immunitarie , con livelli altamente elevati di varie citochine. Nella normale funzione immunitaria, i circuiti di feedback positivi possono essere utilizzati per potenziare l'azione dei linfociti B. Quando una cellula B lega i suoi anticorpi a un antigene e si attiva, inizia a rilasciare anticorpi e secernendo una proteina del complemento chiamata C3. Sia gli anticorpi C3 che quelli di una cellula B possono legarsi a un patogeno, e quando una cellula B ha i suoi anticorpi legarsi a un patogeno con C3, accelera la secrezione di quella cellula B di più anticorpi e più C3, creando così un ciclo di feedback positivo.

Morte cellulare

L'apoptosi è un processo di morte cellulare mediato dalle caspasi , il cui scopo è la rimozione di cellule longeve o danneggiate. Un fallimento di questo processo è stato implicato in condizioni importanti come il cancro o il morbo di Parkinson . Il cuore del processo apoptotico è l'autoattivazione delle caspasi, che può essere modellata tramite un ciclo di feedback positivo. Questo feedback positivo esercita un'auto-attivazione della caspasi effettrice mediante caspasi intermedie. Quando isolato dal resto della via apoptotica, questo feedback positivo presenta solo uno stato stazionario stabile, indipendentemente dal numero di passaggi di attivazione intermedi della caspasi effettrice. Quando questo processo centrale è integrato con inibitori e potenziatori degli effetti delle caspasi, questo processo presenta bistabilità, modellando così gli stati di vita e di morte di una cellula.

In psicologia

Winner (1996) ha descritto i bambini dotati come guidati da circuiti di feedback positivi che coinvolgono l'impostazione del proprio corso di apprendimento, questo feed back soddisfazione, impostando ulteriormente i loro obiettivi di apprendimento a livelli più alti e così via. Winner ha definito questo ciclo di feedback positivo come una "rabbia da padroneggiare". Vandervert (2009a, 2009b) ha proposto che il bambino prodigio possa essere spiegato in termini di un ciclo di feedback positivo tra l'output del pensiero / esecuzione nella memoria di lavoro , che viene quindi alimentato al cervelletto dove viene semplificato, e quindi alimentato di nuovo al lavoro memoria aumentando così costantemente l'output quantitativo e qualitativo della memoria di lavoro. Vandervert ha anche affermato che questa memoria di lavoro / ciclo di feedback positivo cerebellare era responsabile dell'evoluzione del linguaggio nella memoria di lavoro.

In economia

Mercati con influenza sociale

È stato dimostrato che i consigli sui prodotti e le informazioni sugli acquisti passati influenzano in modo significativo le scelte dei consumatori, sia che si tratti di musica, film, libri, prodotti tecnologici e di altro tipo. L'influenza sociale spesso induce un fenomeno che diventa sempre più ricco ( effetto Matthew ) in cui i prodotti popolari tendono a diventare ancora più popolari.

Dinamiche di mercato

Secondo la teoria della riflessività avanzata da George Soros , le variazioni di prezzo sono guidate da un processo di feedback positivo in base al quale le aspettative degli investitori sono influenzate dai movimenti dei prezzi, quindi il loro comportamento agisce per rafforzare il movimento in quella direzione fino a quando non diventa insostenibile, dopodiché il feedback spinge i prezzi in nella direzione opposta.

Rischio sistemico

Il rischio sistemico è il rischio che un processo di amplificazione, leva finanziaria o feedback positivo presenta a un sistema. Questo di solito è sconosciuto e in determinate condizioni questo processo può amplificarsi in modo esponenziale e portare rapidamente a comportamenti distruttivi o caotici . Uno schema Ponzi è un buon esempio di un sistema di feedback positivo: i fondi di nuovi investitori vengono utilizzati per pagare rendimenti insolitamente alti, che a loro volta attraggono più nuovi investitori, causando una rapida crescita verso il collasso. W. Brian Arthur ha anche studiato e scritto sui feedback positivi nell'economia (ad esempio W. Brian Arthur, 1990). Hyman Minsky ha proposto una teoria secondo la quale alcune pratiche di espansione del credito potrebbero trasformare un'economia di mercato in "un sistema di amplificazione della deviazione" che potrebbe improvvisamente collassare, a volte chiamato " momento Minsky ".

I sistemi semplici che separano chiaramente gli input dagli output non sono soggetti a rischi sistemici . Questo rischio è più probabile all'aumentare della complessità del sistema, perché diventa più difficile vedere o analizzare tutte le possibili combinazioni di variabili nel sistema anche in condizioni di stress test attente. Più efficiente è un sistema complesso, più è probabile che sia soggetto a rischi sistemici, perché basta una piccola deviazione per interrompere il sistema. Pertanto, i sistemi complessi ben progettati hanno generalmente caratteristiche incorporate per evitare questa condizione, come una piccola quantità di attrito, o resistenza, o inerzia o ritardo per disaccoppiare le uscite dagli ingressi all'interno del sistema. Questi fattori costituiscono un'inefficienza, ma sono necessari per evitare instabilità.

L' incidente del Flash Crash del 2010 è stato attribuito alla pratica del trading ad alta frequenza (HFT), anche se rimane controverso se l'HFT aumenti davvero il rischio sistemico.

Crescita della popolazione umana

L'agricoltura e la popolazione umana possono essere considerate in una modalità di feedback positivo, il che significa che l'una guida l'altra con intensità crescente. Si suggerisce che questo sistema di feedback positivo finirà prima o poi con una catastrofe, poiché l'agricoltura moderna sta consumando tutto il fosfato facilmente disponibile e sta ricorrendo a monocolture altamente efficienti che sono più suscettibili al rischio sistemico .

L'innovazione tecnologica e la popolazione umana possono essere considerate allo stesso modo, e questo è stato offerto come una spiegazione per l'apparente crescita iperbolica della popolazione umana in passato, invece di una più semplice crescita esponenziale . Si propone che il tasso di crescita stia accelerando a causa del feedback positivo di secondo ordine tra popolazione e tecnologia. La crescita tecnologica aumenta la capacità di carico della terra per le persone, il che porta a una popolazione in crescita, e questo a sua volta guida un'ulteriore crescita tecnologica.

Pregiudizi, istituzioni sociali e povertà

Gunnar Myrdal ha descritto un circolo vizioso di crescenti disuguaglianze e povertà, noto come " causalità cumulativa circolare ".

In meteorologia

La siccità si intensifica grazie al feedback positivo. Una mancanza di pioggia diminuisce l'umidità del suolo, che uccide le piante e / o fa sì che rilascino meno acqua attraverso la traspirazione . Entrambi i fattori limitano l' evapotraspirazione , il processo mediante il quale il vapore acqueo viene aggiunto all'atmosfera dalla superficie, e aggiungono polvere secca all'atmosfera, che assorbe l'acqua. Meno vapore acqueo significa sia basse temperature del punto di rugiada che un riscaldamento diurno più efficiente, riducendo le possibilità che l'umidità nell'atmosfera porti alla formazione di nuvole. Infine, senza nuvole, non può esserci pioggia e il giro è completo.

In climatologia

Le "forzature" climatiche possono spingere un sistema climatico nella direzione del riscaldamento o del raffreddamento, ad esempio, l'aumento delle concentrazioni atmosferiche di gas serra causa il riscaldamento in superficie. Le forzature sono esterne al sistema climatico e i feedback sono processi interni del sistema. Alcuni meccanismi di feedback agiscono in relativo isolamento rispetto al resto del sistema climatico, mentre altri sono strettamente collegati. Forze, feedback e dinamiche del sistema climatico determinano quanto e quanto velocemente cambia il clima. Il principale feedback positivo nel riscaldamento globale è la tendenza del riscaldamento ad aumentare la quantità di vapore acqueo nell'atmosfera, che a sua volta porta a un ulteriore riscaldamento. Il principale feedback negativo proviene dalla legge di Stefan-Boltzmann , la quantità di calore irradiato dalla Terra nello spazio è proporzionale alla quarta potenza della temperatura della superficie terrestre e dell'atmosfera.

Altri esempi di sottosistemi a feedback positivo in climatologia includono:

  • Un'atmosfera più calda scioglierà il ghiaccio e questo cambia l' albedo che riscalda ulteriormente l'atmosfera.
  • Gli idrati di metano possono essere instabili in modo che un oceano in fase di riscaldamento possa rilasciare più metano , che è anche un gas serra.
  • La torba , presente naturalmente nelle torbiere , contiene carbonio. Quando la torba si asciuga, si decompone e può inoltre bruciare. La torba rilascia anche protossido di azoto .
  • Il riscaldamento globale influisce sulla distribuzione delle nuvole. Le nuvole ad altitudini più elevate aumentano gli effetti serra, mentre le nuvole basse riflettono principalmente la luce solare posteriore, con effetti opposti sulla temperatura.

Il quarto rapporto di valutazione del gruppo intergovernativo di esperti sui cambiamenti climatici (IPCC) afferma che "il riscaldamento antropogenico potrebbe portare ad alcuni effetti bruschi o irreversibili, a seconda della velocità e dell'entità del cambiamento climatico".

In sociologia

Una profezia che si autoavvera è un ciclo di feedback sociale positivo tra credenze e comportamento: se un numero sufficiente di persone crede che qualcosa sia vero, il loro comportamento può renderlo vero e le osservazioni del loro comportamento possono a loro volta aumentare la convinzione. Un classico esempio è una corsa agli sportelli .

Un altro esempio sociologico di feedback positivo è l' effetto rete . Quando più persone sono incoraggiate a unirsi a una rete, ciò aumenta la portata della rete, quindi la rete si espande sempre più rapidamente. Un video virale è un esempio dell'effetto di rete in cui i collegamenti a un video popolare vengono condivisi e ridistribuiti, assicurando che più persone vedano il video e quindi ripubblichino i collegamenti. Questa è la base per molti fenomeni sociali, inclusi schemi Ponzi e lettere a catena . In molti casi la dimensione della popolazione è il fattore limitante dell'effetto di feedback.

In chimica

Se una reazione chimica provoca il rilascio di calore e la reazione stessa avviene più velocemente a temperature più elevate, c'è un'alta probabilità di feedback positivo. Se il calore prodotto non viene rimosso dai reagenti abbastanza velocemente, può verificarsi una fuga termica e molto rapidamente portare a un'esplosione chimica .

In conservazione

Molti animali selvatici vengono cacciati per le loro parti che possono essere piuttosto preziose. Più le specie bersaglio si avvicinano all'estinzione, maggiore è il prezzo delle loro parti. Questo è un esempio di feedback positivo.

Guarda anche

Riferimenti

Ulteriore lettura

  • Norbert Wiener (1948), Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine , Parigi, Hermann et Cie - MIT Press, Cambridge, MA.
  • Katie Salen ed Eric Zimmerman. Regole di gioco . MIT Press . 2004. ISBN   0-262-24045-9 . Capitolo 18: Giochi come sistemi cibernetici.

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