Histéresis
Histéresis es la dependencia del estado de un sistema en su historia. Por ejemplo, un imán puede tener más de un momento magnético posible en un campo magnético dado, según cómo haya cambiado el campo en el pasado. Los gráficos de un solo componente del momento a menudo forman un bucle o una curva de histéresis, donde hay diferentes valores de una variable según la dirección de cambio de otra variable. Esta dependencia histórica es la base de la memoria en un disco duro y la remanencia que retiene un registro de la magnitud del campo magnético terrestre en el pasado. La histéresis ocurre en materiales ferromagnéticos y ferroeléctricos, así como en la deformación de bandas de goma y aleaciones con memoria de forma y muchos otros fenómenos naturales. En los sistemas naturales, a menudo se asocia con cambios termodinámicos irreversibles, como transiciones de fase y fricción interna; y la disipación es un efecto secundario común.
La histéresis se puede encontrar en física, química, ingeniería, biología y economía. Está incorporado en muchos sistemas artificiales: por ejemplo, en termostatos y disparadores Schmitt, evita cambios frecuentes no deseados.
La histéresis puede ser un retraso dinámico entre una entrada y una salida que desaparece si la entrada varía más lentamente; esto se conoce como histéresis dependiente de la velocidad. Sin embargo, fenómenos como los bucles de histéresis magnética son principalmente independientes de la velocidad, lo que hace posible una memoria duradera.
Los sistemas con histéresis no son lineales y pueden ser matemáticamente difíciles de modelar. Algunos modelos histéricos, como el modelo de Preisach (originalmente aplicado al ferromagnetismo) y el modelo de Bouc-Wen, intentan capturar las características generales de la histéresis; y también hay modelos fenomenológicos para fenómenos particulares como el modelo de Jiles-Atherton para el ferromagnetismo.
Es difícil definir la histéresis con precisión. Isaak D. Mayergoyz escribió "..el significado mismo de la histéresis varía de un área a otra, de un artículo a otro y de un autor a otro. Como resultado, se necesita una definición matemática estricta de histéresis para evitar confusiones y ambigüedades.".
Etimología e historia
El término "histéresis" se deriva de ὑστέρησις, una palabra griega antigua que significa "deficiencia" o "quedarse atrás". Fue acuñado en 1881 por Sir James Alfred Ewing para describir el comportamiento de los materiales magnéticos.
James Clerk Maxwell realizó algunos de los primeros trabajos sobre la descripción de la histéresis en sistemas mecánicos. Posteriormente, los modelos histéricos han recibido una atención significativa en los trabajos de Ferenc Preisach (modelo de histéresis de Preisach), Louis Néel y Douglas Hugh Everett en relación con el magnetismo y la absorción. Una teoría matemática más formal de los sistemas con histéresis fue desarrollada en la década de 1970 por un grupo de matemáticos rusos dirigidos por Mark Krasnosel'skii.
Tipos
En función de la tasa
Un tipo de histéresis es un retraso entre la entrada y la salida. Un ejemplo es una entrada sinusoidal X(t) que da como resultado una salida sinusoidal Y(t) , pero con un desfase φ:
- X()t)=X0pecado ⋅ ⋅ tY()t)=Y0pecado ()⋅ ⋅ t− − φ φ ).{displaystyle {begin{aligned}X(t) sensible=X_{0}sin omega tY(t) limitada=Y_{0}sin left(omega t-varphi right).end{aligned}}}
Tal comportamiento puede ocurrir en sistemas lineales, y una forma más general de respuesta es
- Y()t)=χ χ iX()t)+∫ ∫ 0JUEGO JUEGO CCPR CCPR d()τ τ )X()t− − τ τ )dτ τ ,{displaystyle Y(t)=chi _{text{i}X(t)+int _{0}infty }Phi _{text{d}(tau)X(t-tau),mathrm {d}tau}
Donde χ χ i{displaystyle chi _{i}} es la respuesta instantánea y CCPR CCPR d()τ τ ){displaystyle Phi _{d}(tau)} es la respuesta de impulso a un impulso que ocurrió τ τ {displaystyle tau } unidades de tiempo en el pasado. En el dominio de frecuencia, entrada y salida están relacionados por un complejo Susceptibilidad generalizada que se puede calcular de CCPR CCPR d{displaystyle ¿Qué?; es matemáticamente equivalente a una función de transferencia en teoría de filtros lineales y procesamiento de señales analógicas.
Este tipo de histéresis a menudo se denomina histéresis dependiente de la velocidad. Si la entrada se reduce a cero, la salida continúa respondiendo por un tiempo finito. Esto constituye un recuerdo del pasado, pero limitado porque desaparece cuando la salida decae a cero. El desfase depende de la frecuencia de la entrada y llega a cero a medida que la frecuencia disminuye.
Cuando la histéresis dependiente de la velocidad se debe a efectos disipativos como la fricción, se asocia con pérdida de potencia.
Independiente de la tarifa
Los sistemas con histéresis independiente de la velocidad tienen una memoria persistente del pasado que permanece después de que los transitorios se han extinguido. El desarrollo futuro de tal sistema depende de la historia de los estados visitados, pero no se desvanece a medida que los eventos retroceden hacia el pasado. Si una variable de entrada X(t) pasa de X0 a X1 y viceversa, la salida Y(t) puede ser Y0 inicialmente pero un valor diferente Y2 al regresar. Los valores de Y(t) dependen de la ruta de valores que X(t) pasa pero no en la velocidad a la que atraviesa la ruta. Muchos autores restringen el término histéresis para que solo signifique histéresis independiente de la frecuencia. Los efectos de histéresis se pueden caracterizar utilizando el modelo de Preisach y el modelo generalizado de Prandtl-Ishlinskii.
En ingeniería
Sistemas de control
En los sistemas de control, la histéresis se puede usar para filtrar señales de modo que la salida reaccione con menos rapidez de lo que lo haría si se tuviera en cuenta el historial reciente del sistema. Por ejemplo, un termostato que controla un calefactor puede encender el calefactor cuando la temperatura cae por debajo de A, pero no apagarlo hasta que la temperatura suba por encima de B. (Por ejemplo, si se desea mantener una temperatura de 20 °C, se podría ajuste el termostato para que encienda el calefactor cuando la temperatura descienda por debajo de los 18 °C y lo apague cuando la temperatura supere los 22 °C).
Del mismo modo, se puede diseñar un interruptor de presión para mostrar histéresis, con puntos de ajuste de presión sustituidos por umbrales de temperatura.
Circuitos electrónicos
A menudo, se agrega intencionalmente cierta cantidad de histéresis a un circuito electrónico para evitar cambios rápidos no deseados. Esta y otras técnicas similares se utilizan para compensar el rebote de contacto en los interruptores o el ruido en una señal eléctrica.
Un disparador Schmitt es un circuito electrónico simple que exhibe esta propiedad.
Un relé de enclavamiento utiliza un solenoide para accionar un mecanismo de trinquete que mantiene el relé cerrado incluso si se interrumpe la alimentación al relé.
La histéresis es esencial para el funcionamiento de algunos memristores (componentes de circuito que "recuerdan" los cambios en la corriente que los atraviesa cambiando su resistencia).
La histéresis se puede usar cuando se conectan matrices de elementos como nanoelectrónica, celdas de electrocromo y dispositivos de efecto de memoria que usan direccionamiento de matriz pasiva. Se hacen atajos entre componentes adyacentes (ver diafonía) y la histéresis ayuda a mantener los componentes en un estado particular mientras los otros componentes cambian de estado. Por lo tanto, todas las filas se pueden abordar al mismo tiempo en lugar de individualmente.
En el campo de la electrónica de audio, una puerta de ruido a menudo implementa histéresis intencionalmente para evitar que la puerta "parlotee" cuando se aplican señales cercanas a su umbral.
Diseño de interfaz de usuario
A veces se agrega intencionalmente una histéresis a los algoritmos informáticos. El campo del diseño de la interfaz de usuario ha tomado prestado el término histéresis para referirse a los momentos en que el estado de la interfaz de usuario se retrasa intencionalmente con respecto a la entrada aparente del usuario. Por ejemplo, un menú que se dibujó en respuesta a un evento de pasar el mouse puede permanecer en la pantalla por un breve momento después de que el mouse se haya movido fuera de la región de activación y la región del menú. Esto permite al usuario mover el mouse directamente a un elemento del menú, incluso si parte de esa ruta directa del mouse está fuera de la región de activación y la región del menú. Por ejemplo, hacer clic derecho en el escritorio en la mayoría de las interfaces de Windows creará un menú que muestra este comportamiento.
Aerodinámica
En aerodinámica, la histéresis se puede observar al disminuir el ángulo de ataque de un ala después de entrar en pérdida, con respecto a los coeficientes de sustentación y arrastre. El ángulo de ataque en el que el flujo en la parte superior del ala se vuelve a unir es generalmente más bajo que el ángulo de ataque en el que el flujo se separa durante el aumento del ángulo de ataque.
Reacción
Las piezas móviles dentro de las máquinas, como los componentes de un tren de engranajes, normalmente tienen un pequeño espacio entre ellas para permitir el movimiento y la lubricación. Como consecuencia de este espacio, cualquier cambio de dirección de una parte de accionamiento no se transmitirá inmediatamente a la parte de accionamiento. Este retraso no deseado normalmente se mantiene tan pequeño como sea posible y generalmente se denomina contragolpe. La cantidad de contragolpe aumentará con el tiempo a medida que se desgasten las superficies de las piezas móviles.
En mecánica
Histéresis elástica
En la histéresis elástica del caucho, el área en el centro de un ciclo de histéresis es la energía disipada debido a la fricción interna del material.
La histéresis elástica fue uno de los primeros tipos de histéresis que se examinaron.
El efecto se puede demostrar usando una banda elástica con pesas adheridas. Si la parte superior de una banda elástica se cuelga de un gancho y se colocan pesas pequeñas en la parte inferior de la banda, una a la vez, se estirará y se hará más larga. A medida que se cargan más pesas, la banda continuará estirándose porque la fuerza que las pesas ejercen sobre la banda aumenta. Cuando se quita o se descarga cada peso, la banda se contraerá a medida que se reduzca la fuerza. A medida que se quitan las pesas, cada pesa que produjo una longitud específica cuando se cargó en la banda ahora se contrae menos, lo que da como resultado una longitud ligeramente mayor cuando se descarga. Esto se debe a que la banda no obedece a la perfección la ley de Hooke. El ciclo de histéresis de una banda elástica idealizada se muestra en la figura.
En términos de fuerza, la banda elástica era más difícil de estirar cuando se cargaba que cuando se descargaba. En términos de tiempo, cuando se descarga la banda, el efecto (la longitud) se retrasó con respecto a la causa (la fuerza de los pesos) porque la longitud aún no ha alcanzado el valor que tenía para el mismo peso durante la parte de carga del ciclo.. En términos de energía, se requirió más energía durante la carga que durante la descarga, disipando el exceso de energía como energía térmica.
La histéresis elástica es más pronunciada cuando la carga y descarga se realiza rápidamente que cuando se realiza lentamente. Algunos materiales, como los metales duros, no muestran histéresis elástica bajo una carga moderada, mientras que otros materiales duros, como el granito y el mármol, sí lo hacen. Los materiales como el caucho exhiben un alto grado de histéresis elástica.
Cuando se mide la histéresis intrínseca del caucho, se puede considerar que el material se comporta como un gas. Cuando se estira una banda elástica, se calienta y, si se suelta repentinamente, se enfría perceptiblemente. Estos efectos corresponden a una gran histéresis del intercambio térmico con el medio ambiente y una menor histéresis debido a la fricción interna dentro del caucho. Esta histéresis propia e intrínseca se puede medir solo si la banda de goma está térmicamente aislada.
Las suspensiones de vehículos pequeños que usan caucho (u otros elastómeros) pueden lograr la doble función de resorte y amortiguación porque el caucho, a diferencia de los resortes metálicos, tiene una histéresis pronunciada y no devuelve toda la energía de compresión absorbida en el rebote. Las bicicletas de montaña han utilizado suspensión de elastómero, al igual que el Mini automóvil original.
La causa principal de la resistencia a la rodadura cuando un cuerpo (como una pelota, un neumático o una rueda) rueda sobre una superficie es la histéresis. Esto se atribuye a las características viscoelásticas del material del cuerpo rodante.
Histéresis del ángulo de contacto
El ángulo de contacto formado entre una fase líquida y una sólida exhibirá un rango de ángulos de contacto que son posibles. Hay dos métodos comunes para medir este rango de ángulos de contacto. El primer método se conoce como el método de la base basculante. Una vez que se dispensa una gota en la superficie con el nivel de la superficie, la superficie se inclina de 0° a 90°. A medida que se inclina la caída, el lado de la pendiente estará en un estado de humectación inminente mientras que el lado de la colina estará en un estado de deshumidificación inminente. A medida que aumenta la inclinación, el ángulo de contacto cuesta abajo aumentará y representa el ángulo de contacto de avance, mientras que el lado cuesta arriba disminuirá; este es el ángulo de contacto de retroceso. Los valores de estos ángulos justo antes de la liberación de la gota representarán típicamente los ángulos de contacto de avance y retroceso. La diferencia entre estos dos ángulos es la histéresis del ángulo de contacto.
El segundo método suele denominarse método de agregar/quitar volumen. Cuando se elimina el volumen máximo de líquido de la gota sin que el área interfacial disminuya, se mide así el ángulo de contacto de retroceso. Cuando el volumen se agrega al máximo antes de que aumente el área interfacial, este es el ángulo de contacto de avance. Al igual que con el método de inclinación, la diferencia entre los ángulos de contacto de avance y retroceso es la histéresis del ángulo de contacto. La mayoría de los investigadores prefieren el método de inclinación; el método de agregar/quitar requiere que una punta o aguja permanezca incrustada en la gota, lo que puede afectar la precisión de los valores, especialmente el ángulo de contacto de retroceso.
Histéresis de forma de burbuja
Las formas de equilibrio de las burbujas que se expanden y contraen en los capilares (agujas romas) pueden exhibir histéresis dependiendo de la magnitud relativa de la presión capilar máxima a la presión ambiental, y la magnitud relativa del volumen de la burbuja a la presión capilar máxima a la muerta volumen en el sistema. La histéresis de la forma de la burbuja es una consecuencia de la compresibilidad del gas, lo que hace que las burbujas se comporten de manera diferente a lo largo de la expansión y la contracción. Durante la expansión, las burbujas experimentan grandes saltos de volumen que no están en equilibrio, mientras que durante la contracción las burbujas son más estables y experimentan un salto de volumen relativamente menor que da como resultado una asimetría entre la expansión y la contracción. La histéresis de la forma de la burbuja es cualitativamente similar a la histéresis de adsorción y, al igual que en la histéresis del ángulo de contacto, las propiedades interfaciales juegan un papel importante en la histéresis de la forma de la burbuja.
La existencia de la histéresis de la forma de la burbuja tiene consecuencias importantes en los experimentos de reología interfacial que involucran burbujas. Como resultado de la histéresis, no se pueden formar burbujas de todos los tamaños en un capilar. Además, la compresibilidad del gas que provoca la histéresis conduce a complicaciones no deseadas en la relación de fase entre los cambios aplicados en el área interfacial y las tensiones interfaciales esperadas. Estas dificultades se pueden evitar diseñando sistemas experimentales para evitar la histéresis de la forma de burbuja.
Histéresis de adsorción
La histéresis también puede ocurrir durante los procesos de adsorción física. En este tipo de histéresis, la cantidad adsorbida es diferente cuando se agrega gas que cuando se retira. Las causas específicas de la histéresis de adsorción siguen siendo un área activa de investigación, pero están vinculadas a diferencias en los mecanismos de nucleación y evaporación dentro de los mesoporos. Estos mecanismos se complican aún más por efectos como la cavitación y el bloqueo de poros.
En la adsorción física, la histéresis es evidencia de mesoporosidad; de hecho, la definición de mesoporos (2-50 nm) está asociada con la aparición (50 nm) y desaparición (2 nm) de mesoporosidad en isotermas de adsorción de nitrógeno en función de Radio Kelvin. Se dice que una isoterma de adsorción que muestra histéresis es de tipo IV (para un adsorbato humectante) o de tipo V (para un adsorbato no humectante), y los bucles de histéresis se clasifican según la simetría del bucle. Los bucles de histéresis de adsorción también tienen la propiedad inusual de que es posible escanear dentro de un bucle de histéresis invirtiendo la dirección de adsorción mientras se encuentra en un punto del bucle. Los escaneos resultantes se denominan "cruce," "convergiendo," o "regresando," dependiendo de la forma de la isoterma en este punto.
Histéresis de potencial matricial
La relación entre el potencial hídrico matricial y el contenido de agua es la base de la curva de retención de agua. Las mediciones de potencial matricial (Ψm) se convierten en mediciones de contenido volumétrico de agua (θ) en función de una curva de calibración específica del sitio o del suelo. La histéresis es una fuente de error en la medición del contenido de agua. La histéresis de potencial matricial surge de las diferencias en el comportamiento de humectación que hacen que el medio seco se vuelva a humedecer; es decir, depende de la historia de saturación del medio poroso. El comportamiento histerético significa que, por ejemplo, a un potencial matricial (Ψm) de 5 kPa, el contenido volumétrico de agua (θ) de una arena fina la matriz del suelo puede estar entre el 8% y el 25%.
Los tensiómetros están directamente influenciados por este tipo de histéresis. Otros dos tipos de sensores utilizados para medir el potencial matricial del agua del suelo también están influenciados por los efectos de histéresis dentro del propio sensor. Los bloques de resistencia, tanto a base de nailon como de yeso, miden el potencial matricial en función de la resistencia eléctrica. La relación entre la resistencia eléctrica del sensor y el potencial de la matriz del sensor es histérica. Los termopares miden el potencial matricial en función de la disipación de calor. La histéresis ocurre porque la disipación de calor medida depende del contenido de agua del sensor, y la relación entre el contenido de agua del sensor y el potencial matricial es histérética. A partir de 2002, solo las curvas de desorción generalmente se miden durante la calibración de los sensores de humedad del suelo. A pesar del hecho de que puede ser una fuente de error significativo, el efecto de histéresis específico del sensor generalmente se ignora.
En materiales
Histéresis magnética
Cuando se aplica un campo magnético externo a un material ferromagnético como el hierro, los dominios atómicos se alinean con él. Incluso cuando se elimine el campo, parte de la alineación se mantendrá: el material se ha magnetizado. Una vez magnetizado, el imán permanecerá magnetizado indefinidamente. Para desmagnetizarlo se requiere calor o un campo magnético en la dirección opuesta. Este es el efecto que proporciona el elemento de memoria en una unidad de disco duro.
La relación entre la intensidad del campo H y la magnetización M no es lineal en tales materiales. Si un imán se desmagnetiza (H = M = 0) y la relación entre H y M se traza para niveles crecientes de intensidad de campo, M sigue la curva de magnetización inicial. Esta curva aumenta rápidamente al principio y luego se acerca a una asíntota llamada saturación magnética. Si el campo magnético ahora se reduce monótonamente, M sigue una curva diferente. Con una intensidad de campo cero, la magnetización se compensa con respecto al origen en una cantidad denominada remanencia. Si se traza la relación H-M para todas las intensidades del campo magnético aplicado, el resultado es un bucle de histéresis llamado bucle principal. El ancho de la sección central es el doble de la coercitividad del material.
Una mirada más cercana a una curva de magnetización generalmente revela una serie de pequeños saltos aleatorios en la magnetización llamados saltos de Barkhausen. Este efecto se debe a defectos cristalográficos como las dislocaciones.
Los bucles de histéresis magnética no son exclusivos de los materiales con ordenación ferromagnética. Otros ordenamientos magnéticos, como el ordenamiento de vidrio giratorio, también exhiben este fenómeno.
Origen físico
El fenómeno de la histéresis en los materiales ferromagnéticos es el resultado de dos efectos: la rotación de la magnetización y los cambios de tamaño o número de dominios magnéticos. En general, la magnetización varía (en dirección pero no en magnitud) a través de un imán, pero en imanes suficientemente pequeños, no lo hace. En estos imanes de un solo dominio, la magnetización responde a un campo magnético rotando. Los imanes de un solo dominio se usan donde se necesita una magnetización fuerte y estable (por ejemplo, grabación magnética).
Los imanes más grandes se dividen en regiones llamadas dominios. En cada dominio, la magnetización no varía; pero entre dominios hay paredes de dominio relativamente delgadas en las que la dirección de magnetización gira de la dirección de un dominio a otro. Si el campo magnético cambia, las paredes se mueven, cambiando los tamaños relativos de los dominios. Debido a que los dominios no están magnetizados en la misma dirección, el momento magnético por unidad de volumen es menor de lo que sería en un imán de un solo dominio; pero las paredes de dominio implican la rotación de solo una pequeña parte de la magnetización, por lo que es mucho más fácil cambiar el momento magnético. La magnetización también puede cambiar por adición o sustracción de dominios (llamada nucleación y desnucleación).
Modelos de histéresis magnética
Los modelos empíricos más conocidos en histéresis son los modelos de Preisach y Jiles-Atherton. Estos modelos permiten un modelado preciso del ciclo de histéresis y son ampliamente utilizados en la industria. Sin embargo, estos modelos pierden la conexión con la termodinámica y no se asegura la consistencia energética. Un modelo más reciente, con una base termodinámica más consistente, es el modelo de histéresis consistente no conservativa incremental vectorial (VINCH) de Lavet et al. (2011)
Aplicaciones
Existe una gran variedad de aplicaciones de la histéresis en ferromagnetos. Muchos de estos hacen uso de su capacidad para retener una memoria, por ejemplo, cintas magnéticas, discos duros y tarjetas de crédito. En estas aplicaciones, son deseables imanes duros (alta coercitividad) como el hierro, de modo que se absorba la mayor cantidad de energía posible durante la operación de escritura y la información magnetizada resultante no se borre fácilmente.
Por otro lado, el hierro magnéticamente blando (baja coercitividad) se utiliza para los núcleos de los electroimanes. La baja coercitividad minimiza la pérdida de energía asociada con la histéresis, ya que el campo magnético se invierte periódicamente en presencia de una corriente alterna. La baja pérdida de energía durante un ciclo de histéresis es la razón por la cual el hierro dulce se usa para núcleos de transformadores y motores eléctricos.
Histéresis eléctrica
La histéresis eléctrica ocurre típicamente en material ferroeléctrico, donde los dominios de polarización contribuyen a la polarización total. La polarización es el momento dipolar eléctrico (ya sea C·m−2 o C·m). El mecanismo, una organización de la polarización en dominios, es similar al de la histéresis magnética.
Transiciones de fase líquida-sólida
La histéresis se manifiesta en transiciones de estado cuando la temperatura de fusión y la temperatura de congelación no concuerdan. Por ejemplo, el agar se derrite a 85 °C (185 °F) y se solidifica de 32 a 40 °C (90 a 104 °F). Es decir, una vez que el agar se funde a 85 °C, conserva un estado líquido hasta que se enfría a 40 °C. Por lo tanto, a partir de las temperaturas de 40 a 85 °C, el agar puede ser sólido o líquido, según el estado en el que se encontraba antes.
En biología
Biología celular y genética
La histéresis en biología celular a menudo sigue a sistemas biestables en los que el mismo estado de entrada puede conducir a dos salidas diferentes y estables. Mientras que la biestabilidad puede dar lugar a salidas digitales similares a las de un interruptor a partir de entradas continuas de concentraciones y actividades químicas, la histéresis hace que estos sistemas sean más resistentes al ruido. Estos sistemas a menudo se caracterizan por valores más altos de la entrada requerida para cambiar a un estado particular en comparación con la entrada requerida para permanecer en el estado, lo que permite una transición que no es continuamente reversible y, por lo tanto, menos susceptible al ruido.
Las células que se someten a división celular exhiben histéresis en el sentido de que se necesita una mayor concentración de ciclinas para pasar de la fase G2 a la mitosis que para permanecer en la mitosis una vez iniciada.
Los sistemas bioquímicos también pueden mostrar resultados similares a los de la histéresis cuando están involucrados estados de variación lenta que no se controlan directamente, como en el caso de la detención del ciclo celular en levaduras expuestas a feromonas de apareamiento. Aquí, la duración de la detención del ciclo celular depende no solo del nivel final de Fus3 de entrada, sino también de los niveles de Fus3 alcanzados previamente. Este efecto se logra debido a las escalas de tiempo más lentas involucradas en la transcripción del Far1 intermedio, de modo que la actividad total de Far1 alcanza su valor de equilibrio lentamente, y para cambios transitorios en la concentración de Fus3, la respuesta del sistema depende de la concentración de Far1 lograda con el valor transitorio. Los experimentos en este tipo de histéresis se benefician de la capacidad de cambiar la concentración de las entradas con el tiempo. Los mecanismos a menudo se dilucidan al permitir un control independiente de la concentración del intermediario clave, por ejemplo, mediante el uso de un promotor inducible.
Darlington en sus obras clásicas sobre genética discutió la histéresis de los cromosomas, con lo que se refería a "falla de la forma externa de los cromosomas para responder inmediatamente a las tensiones internas debido a cambios en su espiral molecular", ya que se encuentran en un medio algo rígido en el espacio limitado del núcleo celular.
En la biología del desarrollo, la diversidad de tipos de células está regulada por moléculas de señalización de acción de largo alcance llamadas morfógenos que modelan grupos uniformes de células de una manera dependiente de la concentración y el tiempo. El erizo sónico morfógeno (Shh), por ejemplo, actúa sobre las yemas de las extremidades y los progenitores neurales para inducir la expresión de un conjunto de factores de transcripción que contienen homeodominios para subdividir estos tejidos en dominios distintos. Se ha demostrado que estos tejidos tienen una 'memoria' de exposición previa a Shh. En el tejido neural, esta histéresis está regulada por un circuito de retroalimentación de homeodominio (HD) que amplifica la señalización de Shh. En este circuito, se suprime la expresión de los factores de transcripción Gli, los ejecutores de la vía Shh. Las Glis se procesan a formas represoras (GliR) en ausencia de Shh, pero en presencia de Shh, una proporción de Glis se mantiene como proteínas de longitud completa a las que se les permite trasladarse al núcleo, donde actúan como activadores (GliA) de la transcripción.. Al reducir la expresión de Gli, los factores de transcripción HD reducen la cantidad total de Gli (GliT), por lo que una mayor proporción de GliT puede estabilizarse como GliA para la misma concentración de Shh.
Inmunología
Existe alguna evidencia de que las células T exhiben histéresis en el sentido de que se necesita un umbral de señal más bajo para activar las células T que se han activado previamente. Se requiere la activación de Ras GTPase para las funciones efectoras aguas abajo de las células T activadas. La activación del receptor de células T induce altos niveles de activación de Ras, lo que da como resultado niveles más altos de Ras unido a GTP (activo) en la superficie celular. Dado que se han acumulado niveles más altos de Ras activo en la superficie celular en las células T que han sido previamente estimuladas por una fuerte participación del receptor de células T, las señales posteriores más débiles del receptor de células T recibidas poco después entregarán el mismo nivel de activación debido a la presencia de niveles más altos de Ras ya activado en comparación con una célula ingenua.
Neurociencia
La propiedad por la cual algunas neuronas no regresan a sus condiciones basales desde una condición estimulada inmediatamente después de la eliminación del estímulo es un ejemplo de histéresis.
Neuropsicología
La neuropsicología, al explorar los correlatos neuronales de la conciencia, interactúa con la neurociencia, aunque la complejidad del sistema nervioso central es un desafío para su estudio (es decir, su funcionamiento se resiste a una fácil reducción). La memoria dependiente del contexto y la memoria dependiente del estado muestran aspectos histéricos de la neurocognición.
Fisiología respiratoria
La histéresis pulmonar es evidente cuando se observa la distensibilidad de un pulmón en la inspiración frente a la espiración. La diferencia en la distensibilidad (Δvolumen/Δpresión) se debe a la energía adicional requerida para superar las fuerzas de tensión superficial durante la inspiración para reclutar e inflar alvéolos adicionales.
La curva de presión transpulmonar frente a volumen de inhalación es diferente de la curva de presión frente a volumen de exhalación, y la diferencia se describe como histéresis. El volumen pulmonar a cualquier presión dada durante la inhalación es menor que el volumen pulmonar a cualquier presión dada durante la exhalación.
Fisiología de la voz y del habla
Se puede observar un efecto de histéresis en el inicio de la sonorización frente al final. El valor umbral de la presión subglótica necesaria para iniciar la vibración de las cuerdas vocales es inferior al valor umbral en el que se detiene la vibración, cuando los demás parámetros se mantienen constantes. En las emisiones de secuencias vocal-consonante-vocal sorda durante el habla, la presión intraoral es más baja en el inicio de la voz de la segunda vocal en comparación con el desplazamiento de la voz de la primera vocal, el flujo de aire oral es más bajo, la presión transglótica es mayor y la presión glótica es más baja. el ancho es menor.
Ecología y epidemiología
La histéresis es un fenómeno común en ecología y epidemiología, donde el equilibrio observado de un sistema no se puede predecir únicamente en función de las variables ambientales, sino que también requiere el conocimiento de la historia pasada del sistema. Los ejemplos notables incluyen la teoría de los brotes de gusanos de las yemas de los abetos y los efectos del comportamiento en la transmisión de enfermedades.
Suele examinarse en relación con las transiciones críticas entre tipos de ecosistemas o comunidades en las que los competidores dominantes o paisajes completos pueden cambiar de manera en gran medida irreversible.
En ciencias oceánicas y climáticas
Los complejos modelos oceánicos y climáticos se basan en este principio.
En economía
Los sistemas económicos pueden exhibir histéresis. Por ejemplo, el desempeño de las exportaciones está sujeto a fuertes efectos de histéresis: debido a los costos fijos de transporte, puede ser necesario un gran impulso para iniciar las exportaciones de un país, pero una vez que se realiza la transición, es posible que no se requiera mucho para mantenerlas..
Cuando algún impacto negativo reduce el empleo en una empresa o industria, quedan menos trabajadores empleados. Como generalmente los trabajadores empleados tienen el poder de fijar los salarios, su número reducido los incentiva a negociar salarios aún más altos cuando la economía vuelve a mejorar en lugar de dejar que el salario esté en el nivel de salario de equilibrio, donde la oferta y la demanda de trabajadores coincidirían.. Esto provoca histéresis: el desempleo aumenta permanentemente después de choques negativos.
Desempleo permanentemente más alto
La idea de histéresis se usa ampliamente en el área de la economía laboral, específicamente con referencia a la tasa de desempleo. De acuerdo con las teorías basadas en la histéresis, las recesiones económicas severas (recesión) y/o el estancamiento persistente (crecimiento lento de la demanda, generalmente después de una recesión) hacen que las personas desempleadas pierdan sus habilidades laborales (comúnmente desarrolladas en el trabajo) o descubran que sus habilidades han disminuido. se vuelven obsoletos, o se desmotivan, desilusionan o deprimen o pierden las habilidades para buscar trabajo. Además, los empleadores pueden usar el tiempo pasado en el desempleo como una herramienta de selección, es decir, para descartar a los empleados menos deseados en las decisiones de contratación. Entonces, en tiempos de recuperación económica, recuperación o 'boom', los trabajadores afectados no compartirán la prosperidad y permanecerán desempleados por largos períodos (por ejemplo, más de 52 semanas). Esto hace que el desempleo sea 'estructural', es decir, extremadamente difícil de reducir simplemente aumentando la demanda agregada de productos y mano de obra sin provocar un aumento de la inflación. Es decir, es posible que exista un efecto de trinquete en las tasas de desempleo, por lo que tiende a persistir un aumento de corto plazo en las tasas de desempleo. Por ejemplo, la política antiinflacionaria tradicional (el uso de la recesión para luchar contra la inflación) conduce a una tasa "natural" tasa de desempleo (más conocida científicamente como la NAIRU). Esto ocurre primero porque las expectativas inflacionarias son "pegajosas" a la baja debido a las rigideces de salarios y precios (y por lo tanto se adaptan lentamente con el tiempo en lugar de ser aproximadamente correctas como en las teorías de expectativas racionales) y segundo porque los mercados laborales no se equilibran instantáneamente en respuesta al desempleo.
La existencia de la histéresis se ha presentado como una posible explicación del desempleo persistentemente alto de muchas economías en la década de 1990. Olivier Blanchard, entre otros, ha invocado la histéresis para explicar las diferencias en las tasas de desempleo a largo plazo entre Europa y Estados Unidos. Por lo tanto, la reforma del mercado laboral (que generalmente significa un cambio institucional que promueve salarios, despidos y contrataciones más flexibles) o un fuerte crecimiento económico del lado de la demanda no pueden reducir este grupo de desempleados a largo plazo. Por lo tanto, los programas de formación específicos se presentan como una posible solución política. Sin embargo, la hipótesis de la histéresis sugiere que dichos programas de capacitación se ven favorecidos por una demanda persistentemente alta de productos (quizás con políticas de ingresos para evitar el aumento de la inflación), lo que reduce los costos de transición del desempleo al empleo remunerado más fácilmente.
Consideraciones adicionales
Modelos de histéresis
Cada sujeto que involucra histéresis tiene modelos que son específicos para el sujeto. Además, existen modelos histéréticos que capturan las características generales de muchos sistemas con histéresis. Un ejemplo es el modelo de histéresis de Preisach, que representa una histéresis no lineal como una superposición lineal de bucles cuadrados llamados relés no ideales. Muchos modelos complejos de histéresis surgen de la simple conexión en paralelo, o superposición, de portadores elementales de histéresis denominados histerones.
En el modelo de Lapshin se puede encontrar una descripción paramétrica simple e intuitiva de varios bucles de histéresis. Junto con los bucles suaves, la sustitución de pulsos trapezoidales, triangulares o rectangulares en lugar de las funciones armónicas permite que se construyan en el modelo bucles de histéresis lineales por tramos que se utilizan con frecuencia en automáticas discretas. Hay implementaciones del modelo de ciclo de histéresis en Mathcad y en el lenguaje de programación R.
El modelo de histéresis de Bouc-Wen se usa a menudo para describir sistemas histéréticos no lineales. Fue presentado por Bouc y ampliado por Wen, quien demostró su versatilidad al producir una variedad de patrones histéricos. Este modelo es capaz de capturar en forma analítica, una gama de formas de ciclos histeréticos que coinciden con el comportamiento de una amplia clase de sistemas histeréticos; por lo tanto, dada su versatilidad y manejabilidad matemática, el modelo de Bouc-Wen ha ganado popularidad rápidamente y se ha extendido y aplicado a una amplia variedad de problemas de ingeniería, incluidos sistemas de múltiples grados de libertad (MDOF), edificios, marcos, bidireccional y respuesta torsional de sistemas histeréticos continuos bidimensionales y tridimensionales, y licuefacción de suelos entre otros. El modelo de Bouc-Wen y sus variantes/extensiones se han utilizado en aplicaciones de control estructural, en particular en el modelado del comportamiento de amortiguadores magnetorreológicos, dispositivos de aislamiento de base para edificios y otros tipos de dispositivos de amortiguamiento; también se ha utilizado en el modelado y análisis de estructuras construidas con hormigón armado, acero, mampostería y madera. La ampliación más importante del Modelo Bouc-Wen fue realizada por Baber y Noori y más tarde por Noori y colaboradores. Ese modelo extendido, llamado BWBN, puede reproducir el complejo fenómeno de pinzamiento por cizallamiento o bloqueo por deslizamiento que el modelo anterior no pudo reproducir. El modelo BWBN se ha utilizado ampliamente en un amplio espectro de aplicaciones y se ha incorporado en varios códigos de software como OpenSees.
Energía
Cuando la histéresis ocurre con variables extensivas e intensivas, el trabajo realizado en el sistema es el área bajo el gráfico de histéresis.
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