La histéresis es la dependencia del estado de un sistema de su historia. Por ejemplo, un imán puede tener más de un momento magnético posible en un campo magnético determinado , dependiendo de cómo cambió el campo en el pasado. Las gráficas de un solo componente del momento a menudo forman un bucle o curva de histéresis, donde hay diferentes valores de una variable dependiendo de 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 de la Tierra en el pasado. La histéresis ocurre en materiales ferromagnéticos y ferroeléctricos , así como en la deformación de bandas de caucho 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 con 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 conmutaciones frecuentes no deseadas.
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 su modelado puede resultar matemáticamente complicado. Algunos modelos histeréticos, como el modelo de Preisach (aplicado originalmente al ferromagnetismo) y el modelo de Bouc-Wen , intentan capturar características generales de la histéresis; y también existen 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 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 confusión y ambigüedad. ." [1]
El término "histéresis" se deriva de ὑστέρησις , una palabra griega antigua que significa "deficiencia" o "rezago". Fue acuñado en 1881 por Sir James Alfred Ewing para describir el comportamiento de los materiales magnéticos. [2]
James Clerk Maxwell realizó algunos de los primeros trabajos sobre la descripción de la histéresis en sistemas mecánicos . Posteriormente, los modelos histeréticos recibieron 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. En la década de 1970, un grupo de matemáticos rusos dirigido por Mark Krasnosel'skii desarrolló una teoría matemática más formal de sistemas con histéresis .
Un tipo de histéresis es un desfase 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 :
Tal comportamiento puede ocurrir en sistemas lineales, y una forma más general de respuesta es
donde es la respuesta instantánea y es la respuesta impulsiva a un impulso que ocurrió unidades de tiempo en el pasado. En el dominio de la frecuencia , la entrada y la salida están relacionadas por una susceptibilidad generalizada compleja que puede calcularse a partir de ; es matemáticamente equivalente a una función de transferencia en la teoría de filtros lineales y el procesamiento de señales analógicas. [3]
Este tipo de histéresis a menudo se denomina histéresis dependiente de la velocidad . Si la entrada se reduce a cero, la salida continúa respondiendo durante un tiempo finito. Esto constituye un recuerdo del pasado, pero limitado porque desaparece a medida que la producción desciende a cero. El desfase depende de la frecuencia de la entrada y llega a cero a medida que la frecuencia disminuye. [3]
Cuando la histéresis dependiente de la velocidad se debe a efectos disipativos como la fricción , se asocia con pérdida de potencia. [3]
Los sistemas con histéresis independiente de la velocidad tienen una memoria persistente del pasado que permanece después de que los transitorios hayan desaparecido. [4] El desarrollo futuro de tal sistema depende de la historia de los estados visitados, pero no se desvanece a medida que los acontecimientos retroceden en el pasado. Si una variable de entrada X(t) pasa de X 0 a X 1 y viceversa, la salida Y(t) puede ser Y 0 inicialmente pero un valor diferente Y 2 al regresar. Los valores de Y(t) dependen de la trayectoria de valores por la que pasa X(t) , pero no de la velocidad a la que recorre la trayectoria. [3] Muchos autores restringen el término histéresis a significar únicamente histéresis independiente de la velocidad. [5] Los efectos de histéresis se pueden caracterizar utilizando el modelo de Preisach y el modelo generalizado de Prandtl-Ishlinskii. [6]
En los sistemas de control, la histéresis se puede utilizar para filtrar señales de modo que la salida reaccione menos rápidamente de lo que lo haría de otro modo, teniendo en cuenta el historial reciente del sistema. Por ejemplo, un termostato que controla un calentador puede encender el calentador cuando la temperatura cae por debajo de A, pero no apagarlo hasta que la temperatura sube por encima de B. (Por ejemplo, si uno desea mantener una temperatura de 20 °C, entonces puede configure el termostato para que encienda el calentador cuando la temperatura baje de 18 °C y lo apague cuando la temperatura supere los 22 °C).
De manera similar, se puede diseñar un interruptor de presión para que presente histéresis, con puntos de ajuste de presión sustituidos por umbrales de temperatura.
A menudo, se añade intencionadamente cierta cantidad de histéresis a un circuito electrónico para evitar una conmutación rápida no deseada. Esta y otras técnicas similares se utilizan para compensar el rebote de los contactos 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 corta la alimentación al relé.
Alguna retroalimentación positiva de la salida a una entrada de un comparador puede aumentar la histéresis natural (en función de su ganancia) que exhibe.
La histéresis es esencial para el funcionamiento de algunos memristores (componentes de circuito que "recuerdan" los cambios en la corriente que pasa a través de ellos cambiando su resistencia). [7]
La histéresis se puede utilizar al conectar conjuntos de elementos como nanoelectrónica , celdas electrocromáticas y dispositivos con efecto de memoria que utilizan direccionamiento matricial pasivo . Se realizan 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. De este modo, se pueden abordar todas las filas al mismo tiempo en lugar de hacerlo individualmente.
En el campo de la electrónica de audio, una puerta de ruido a menudo implementa histéresis intencionalmente para evitar que la puerta "vibre" cuando se aplican señales cercanas a su umbral.
A veces se añade intencionadamente una histéresis a los algoritmos informáticos . El campo del diseño de interfaces de usuario ha tomado prestado el término histéresis para referirse a momentos en los que el estado de la interfaz de usuario va intencionalmente por detrás de la aparente entrada del usuario. Por ejemplo, un menú que se dibujó en respuesta a un evento al 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 de 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 de la región del menú. Por ejemplo, al hacer clic derecho en el escritorio en la mayoría de las interfaces de Windows se creará un menú que muestra este comportamiento.
En aerodinámica , la histéresis se puede observar al disminuir el ángulo de ataque de un ala después de la pérdida, respecto a los coeficientes de sustentación y resistencia. El ángulo de ataque en el que el flujo en la parte superior del ala se vuelve a unir es generalmente menor que el ángulo de ataque en el que el flujo se separa durante el aumento del ángulo de ataque. [8]
La histéresis se puede observar en la relación etapa-flujo de un río durante condiciones que cambian rápidamente, como el paso de una ola de inundación. Es más pronunciado en corrientes de bajo gradiente con hidrogramas de borde de ataque pronunciados. https://pubs.usgs.gov/ja/70193968/70193968.pdf
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 esta distancia, cualquier inversión de dirección de una parte motriz no se transmitirá inmediatamente a la parte conducida. [9] Este retraso no deseado normalmente se mantiene lo más pequeño posible y generalmente se denomina contragolpe . La cantidad de juego aumentará con el tiempo a medida que se desgasten las superficies de las piezas móviles.
En la histéresis elástica del caucho, el área en el centro de un bucle 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. [10] [11]
El efecto se puede demostrar utilizando una banda elástica con pesas. Si la parte superior de una banda elástica se cuelga de un gancho y se colocan pequeños pesos en la parte inferior de la banda, uno a la vez, se estirará y se alargará. 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 descarga cada peso , la banda se contraerá a medida que se reduzca la fuerza. A medida que se quitan los pesos, cada peso que produjo una longitud específica cuando se cargó en la banda ahora se contrae menos, lo que resulta en una longitud ligeramente más larga cuando se descarga. Esto se debe a que la banda no obedece perfectamente la ley de Hooke . En la figura se muestra el bucle de histéresis de una banda elástica idealizada.
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 rezagó con respecto a la causa (la fuerza de las pesas) 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, durante la carga se necesitaba más energía que durante la descarga, disipándose el exceso de energía en forma de energía térmica.
La histéresis elástica es más pronunciada cuando la carga y descarga se realiza rápidamente que cuando se realiza lentamente. [12] 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 la muestran. Materiales como el caucho presentan 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 histéresis grande debido al intercambio térmico con el medio ambiente y una histéresis menor debido a la fricción interna dentro del caucho. Esta histéresis intrínseca adecuada sólo se puede medir si la banda elástica está aislada térmicamente .
Las suspensiones de vehículos pequeños que utilizan 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 suspensiones de elastómero, al igual que el Mini coche original.
La causa principal de la resistencia a la rodadura cuando un cuerpo (como una bola, un neumático o una rueda) rueda sobre una superficie es la histéresis. Esto se atribuye a las características viscoelásticas del material del cuerpo rodante.
El ángulo de contacto formado entre una fase líquida y sólida exhibirá una variedad de ángulos de contacto posibles. Existen dos métodos comunes para medir este rango de ángulos de contacto. El primer método se denomina método de base basculante. Una vez que se aplica una gota sobre la superficie con el nivel de la superficie, la superficie se inclina de 0° a 90°. A medida que la caída se inclina, el lado cuesta abajo estará en un estado de humectación inminente mientras que el lado cuesta arriba estará en un estado de deshumectación 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 normalmente representarán los ángulos de contacto de avance y retroceso. La diferencia entre estos dos ángulos es la histéresis del ángulo de contacto.
El segundo método a menudo se conoce como método de agregar/eliminar volumen. Cuando se elimina el volumen máximo de líquido de la gota sin que el área interfacial disminuya, se mide el ángulo de contacto de retroceso. Cuando se agrega volumen 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.
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 de la magnitud relativa del volumen de burbujas a la presión capilar máxima al volumen muerto en el sistema. [13] 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 durante la expansión y la contracción. Durante la expansión, las burbujas experimentan grandes saltos de volumen fuera del equilibrio, mientras que durante la contracción las burbujas son más estables y experimentan un salto de volumen relativamente menor, lo que resulta en 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 causa 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 pueden evitarse diseñando sistemas experimentales que eviten la histéresis de la forma de la burbuja. [13] [14]
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 relacionadas con 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 los 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 las isotermas de adsorción de nitrógeno en función del radio Kelvin. [15] Se dice que una isoterma de adsorción que muestra histéresis es de Tipo IV (para un adsorbato humectante) o Tipo V (para un adsorbato no humectante), y los bucles de histéresis en sí se clasifican según cuán simétrico sea el bucle. [16] 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 está en un punto del bucle. Los escaneos resultantes se denominan "cruzamiento", "convergencia" o "retorno", dependiendo de la forma de la isoterma en este punto. [17]
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 (Ψ m ) se convierten en mediciones de contenido volumétrico de agua (θ) basadas en 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 diferencias en el comportamiento de humectación que causan que el medio seco se vuelva a humedecer; es decir, depende del historial de saturación del medio poroso. El comportamiento histerético significa que, por ejemplo, a un potencial matricial (Ψ m ) de 5 kPa , el contenido volumétrico de agua (θ) de una matriz de suelo arenoso fino podría estar entre 8% y 25%. [18]
Los tensiómetros se ven directamente influenciados por este tipo de histéresis. Otros dos tipos de sensores utilizados para medir el potencial matricial del agua del suelo también se ven 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 matricial del sensor es histerética. Los termopares miden el potencial matricial en función de la disipación de calor. La histéresis se produce 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 histerética. Desde 2002 , durante la calibración de los sensores de humedad del suelo[actualizar] normalmente sólo se miden las curvas de desorción . A pesar de que puede ser una fuente de error importante, el efecto específico de la histéresis del sensor generalmente se ignora. [19]
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, se conservará parte de la alineación: el material se ha magnetizado . Una vez magnetizado, el imán permanecerá magnetizado indefinidamente. Para desmagnetizarlo se requiere calor o un campo magnético en 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 se desmagnetiza un imán ( H = M = 0 ) y se traza la relación entre H y M 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 ahora el campo magnético 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 llamada remanencia . Si se traza la relación HM 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. [20]
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 . [21]
Los bucles de histéresis magnética no son exclusivos de materiales con orden ferromagnético. Otros ordenamientos magnéticos, como el ordenamiento del vidrio giratorio , también presentan este fenómeno. [22]
El fenómeno de la histéresis en materiales ferromagnéticos es resultado de dos efectos: rotación de la magnetización y 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 es así. En estos imanes de dominio único , la magnetización responde a un campo magnético girando. Los imanes de dominio único se utilizan siempre que 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 los 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 dominio único; pero las paredes del dominio implican la rotación de sólo una pequeña parte de la magnetización, por lo que es mucho más fácil cambiar el momento magnético. La magnetización también puede cambiar por suma o resta de dominios (llamado nucleación y desnucleación ).
Los modelos empíricos en histéresis más conocidos son los modelos de Preisach y Jiles-Atherton . Estos modelos permiten un modelado preciso del bucle de histéresis y son ampliamente utilizados en la industria. Sin embargo, estos modelos pierden la conexión con la termodinámica y no se garantiza la consistencia energética. Un modelo más reciente, con una base termodinámica más consistente, es el modelo vectorial incremental de histéresis consistente no conservadora (VINCH) de Lavet et al. (2011) [23]
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 tanta energía como sea posible durante la operación de escritura y la información magnetizada resultante no se borre fácilmente.
Por otro lado, para los núcleos de los electroimanes se utiliza hierro magnéticamente blando (baja coercitividad) . 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 bucle de histéresis es la razón por la que se utiliza hierro dulce para los núcleos de transformadores y motores eléctricos.
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.
La histéresis se manifiesta en transiciones de estado cuando la temperatura de fusión y la temperatura de congelación no coinciden. Por ejemplo, el agar se funde a 85 °C (185 °F) y se solidifica entre 32 y 40 °C (90 a 104 °F). Es decir, una vez que el agar se funde a 85 °C, conserva el estado líquido hasta que se enfría a 40 °C. Por lo tanto, a partir de temperaturas de 40 a 85 °C, el agar puede ser sólido o líquido, dependiendo del estado en el que se encontraba antes.
La histéresis en biología celular a menudo sigue a sistemas biestables donde el mismo estado de entrada puede conducir a dos salidas diferentes y estables. Mientras que la biestabilidad puede generar salidas digitales similares a interruptores 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. [24] [25]
Los sistemas bioquímicos también pueden mostrar resultados similares a la histéresis cuando están involucrados estados que varían lentamente y que no se controlan directamente, como en el caso de la detención del ciclo celular en levaduras expuestas a feromonas de apareamiento. [26] Aquí, la duración de la detención del ciclo celular depende no sólo del nivel final de entrada de Fus3, 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 intermedio Far1, 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 con este tipo de histéresis se benefician de la capacidad de cambiar la concentración de las entradas con el tiempo. Los mecanismos a menudo se aclaran permitiendo 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 [27] [28] discutió la histéresis de los cromosomas , con lo que se refería a "la falla de la forma externa de los cromosomas para responder inmediatamente a las tensiones internas debidas a cambios en su espiral molecular", tal como yacen en un medio algo rígido en el espacio limitado del núcleo celular .
En biología del desarrollo , la diversidad de tipos celulares 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 morfógeno sónico (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. [29] En el tejido neural, esta histéresis está regulada por un circuito de retroalimentación de homeodominio (HD) que amplifica la señalización de Shh. [30] En este circuito, se suprime la expresión de los factores de transcripción Gli , los ejecutores de la vía Shh. Las Glis se procesan en 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 translocarse al núcleo, donde actúan como activadores (GliA) de la transcripción. . Entonces, 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.
Existe cierta 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 han sido activadas previamente. La activación de Ras GTPasa es necesaria para las funciones efectoras posteriores de las células T activadas. [31] La activación del receptor de células T induce altos niveles de activación de Ras, lo que resulta en 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 de 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 producirán el mismo nivel de activación debido a la presencia de niveles más altos de Ras ya activado en comparación con una célula ingenua.
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.
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 histeréticos de la neurocognición ".
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 necesaria para superar las fuerzas de tensión superficial durante la inspiración para reclutar e inflar alvéolos adicionales. [32]
La curva de presión transpulmonar versus volumen de inhalación es diferente de la curva de presión versus volumen de exhalación, y la diferencia se describe como histéresis. El volumen pulmonar a cualquier presión determinada durante la inhalación es menor que el volumen pulmonar a cualquier presión determinada durante la exhalación. [33]
Se puede observar un efecto de histéresis en el inicio versus el final de la sonoridad. [34] 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 otros parámetros se mantienen constantes. En las expresiones de secuencias vocal-consonante-vocal sorda durante el habla, la presión intraoral es menor 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 menor, la presión transglótica es mayor y la presión glótica es mayor. el ancho es menor.
La histéresis es un fenómeno común en ecología y epidemiología, donde el equilibrio observado de un sistema no se puede predecir basándose únicamente en variables ambientales, sino que también requiere conocimiento de la historia pasada del sistema. Ejemplos notables incluyen la teoría de los brotes del gusano de las yemas del abeto y los efectos del comportamiento en la transmisión de enfermedades. [35]
Comúnmente se examina en relación con las transiciones críticas entre tipos de ecosistemas o comunidades en las que competidores dominantes o paisajes enteros pueden cambiar de manera en gran medida irreversible. [36] [37]
Los complejos modelos oceánicos y climáticos se basan en este principio. [38] [39]
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 realizada la transición, es posible que no se requiera mucho para mantenerlas.
Cuando algún shock negativo reduce el empleo en una empresa o industria, quedan menos trabajadores empleados. Como normalmente los trabajadores empleados tienen el poder de fijar los salarios, su número reducido los incentiva a negociar salarios aún más altos cuando la economía vuelva a mejorar en lugar de dejar que el salario esté en el nivel de equilibrio , donde la oferta y la demanda de los trabajadores coincidirían. . Esto provoca histéresis: el desempleo aumenta permanentemente después de shocks negativos. [40] [41]
La idea de histéresis se utiliza ampliamente en el área de la economía laboral, específicamente con referencia a la tasa de desempleo . [42] Según teorías basadas en la histéresis, las crisis económicas graves (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 encuentren que sus habilidades se han vuelto obsoletas, o se desmotivan, se desilusionan o se deprimen o pierden habilidades para buscar empleo. Además, los empleadores pueden utilizar el tiempo pasado en desempleo como herramienta de selección, es decir, para descartar a los empleados menos deseados en las decisiones de contratación. Luego, en tiempos de auge, recuperación o "auge" económico, los trabajadores afectados no compartirán la prosperidad y permanecerán desempleados durante 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 una mayor inflación. Es decir, es posible que exista un efecto de trinquete en las tasas de desempleo, por lo que un aumento de corto plazo en las tasas de desempleo tiende a persistir. Por ejemplo, la política antiinflacionaria tradicional (el uso de la recesión para combatir la inflación) conduce a una tasa de desempleo "natural" permanentemente más alta (más científicamente conocida como NAIRU ) . Esto ocurre, en primer lugar, porque las expectativas inflacionarias son " pegajosas " hacia abajo 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 las expectativas racionales ) y, en segundo lugar, porque los mercados laborales no se aclaran instantáneamente en respuesta al desempleo.
La existencia de histéresis se ha propuesto como posible explicación del desempleo persistentemente alto de muchas economías en los años noventa. 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, es posible que 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 reduzcan este grupo de desempleados de larga duración. Por lo tanto, los programas de formación específicos se presentan como una posible solución política. [40] Sin embargo, la hipótesis de la histéresis sugiere que tales programas de capacitación se ven favorecidos por una demanda persistentemente alta de productos (quizás con políticas de ingresos para evitar una mayor inflación), lo que reduce más fácilmente los costos de transición del desempleo al empleo remunerado.
Los modelos histeréticos son modelos matemáticos capaces de simular comportamientos no lineales complejos (histéresis) que caracterizan sistemas mecánicos y materiales utilizados en diferentes campos de la ingeniería , como la ingeniería aeroespacial , civil y mecánica . Algunos ejemplos de sistemas mecánicos y materiales que tienen comportamiento histerético son:
Cada tema que involucra histéresis tiene modelos que son específicos del tema. Además, existen modelos histeréticos que capturan características generales de muchos sistemas con histéresis. [44] [45] [46] 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. [44] Muchos modelos complejos de histéresis surgen de la simple conexión paralela, o superposición, de portadores elementales de histéresis denominados histerones.
En el modelo de Lapshin se puede encontrar una descripción paramétrica sencilla e intuitiva de varios bucles de histéresis. [45] [46] Junto con los bucles suaves, la sustitución de pulsos trapezoidales, triangulares o rectangulares en lugar de las funciones armónicas permite construir en el modelo bucles de histéresis lineales por partes frecuentemente utilizados en automáticas discretas. Existen implementaciones del modelo de bucle de histéresis en Mathcad [46] y en el lenguaje de programación R. [47]
El modelo de histéresis de Bouc-Wen se utiliza a menudo para describir sistemas histeréticos no lineales. Fue introducido por Bouc [48] [49] y ampliado por Wen, [50] quien demostró su versatilidad al producir una variedad de patrones histeréticos. Este modelo es capaz de capturar en forma analítica una variedad 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 rápidamente popularidad y se ha extendido y aplicado a una amplia variedad de problemas de ingeniería, incluidos sistemas de múltiples grados de libertad (MDOF), edificios, marcos, bidireccionales. y respuesta torsional de sistemas histeréticos continuos bidimensionales y tridimensionales, y licuefacción de suelos, entre otros. El modelo 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 bases para edificios y otros tipos de dispositivos de amortiguación; también se ha utilizado en el modelado y análisis de estructuras construidas con hormigón armado, acero, mampostería y madera. [ cita necesaria ] . La ampliación más importante del modelo Bouc-Wen fue llevada a cabo por Baber y Noori y posteriormente por Noori y colaboradores. Ese modelo ampliado, denominado BWBN, puede reproducir el complejo fenómeno de pellizco de cizallamiento o bloqueo deslizante que el modelo anterior no podía reproducir. El modelo BWBN se ha utilizado ampliamente en un amplio espectro de aplicaciones y las implementaciones están disponibles en software como OpenSees .
Los modelos histeréticos pueden tener un desplazamiento generalizado como variable de entrada y una fuerza generalizada como variable de salida, o viceversa. En particular, en los modelos histeréticos independientes de la tasa, la variable de salida no depende de la tasa de variación de la de entrada. [51] [52]
Los modelos histeréticos independientes de la tasa se pueden clasificar en cuatro categorías diferentes según el tipo de ecuación que deba resolverse para calcular la variable de salida:
Algunos modelos histeréticos notables se enumeran a continuación con sus campos asociados.
Cuando ocurre histéresis con variables extensivas e intensivas , el trabajo realizado en el sistema es el área bajo el gráfico de histéresis.
