دکتر محمدرضا عاطفی

عضو هیات علمی دانشگاه 
مشاور استراتژی و نوآوری

تعادل و بازخورد

تعادل

عبارت است از شرایط متوسط ​​یک سیستم که از طریق اندازه گیری یکی از عناصر یا ویژگی‌های آن در یک دوره زمانی مشخص می‌شود. شش نوع تعادل وجود دارد:

۱) تعادل حالت پایدار

شرایط متوسط ​​یک سیستم است که در آن متغیر حالت در طی زمان بدون تغییر باقی می‌ماند.

شکل ۱ : مثالی از حالت تعادل حالت پایدار در طول زمان.

 حالت پایدار ممکن است به موارد زیر اشاره داشته باشد:

حالت پایدار (سیستم‌ها) یک شرایط عملیاتی در ترمودینامیکی و سایر سیستم‌ها یا فرآیندهایی که متغیرها با گذشت زمان ثابت می‌مانند.

• اقتصاد پایدار، اقتصادی که در آن میزان رشد جمعیت و رشد ثروت (سرمایه) باهم برابر باشد.
• نرخ رشد حالت پایدار (تئوری رشد نئوکلاسیک)، اقتصادی که دارای افزایش متناسب سرمایه و نیروی کار است.
• حالت پایدار (الکترونیک)، حالتی که در یک مدار یا شبکه وجود دارد، زمانی که تمام ناپایداری‌ها از بین رفته اند.
• حالت پایدار (شیمی)، اصطلاحی در سینتیک شیمیایی به معنای وضعیتی است که در آن همه متغیرهای حالت یک سیستم باز در زمان ثابت هستند.
• حالت پایدار (بیوشیمی)، وضعیتی که در آن پارامترهای خاصی از سلول‌ها یا اندام‌ها، (معمولاً غلظت مولکول‌ها) در زمان ثابت هستند.
• حالت پایدار (فیزیولوژی)، همچنین به عنوان هموستاز شناخته می‌شود، سیستمی که در آن یک متغیر خاص تغییر نمی کند اما باید به طور مداوم انرژی اضافه شود تا این متغیر ثابت بماند.
• تعادل دینامیکی که معمولاً در سیستم‌های دینامیکی مشاهده می‌شود.
• پایه تست موتور حالت پایدار، نوعی کاربرد برای تست موتور.

۲)  تعادل ترمودینامیکی

وضعیتی را در سیستمی توصیف می‌کند که در آن توزیع جرم و انرژی به سمت حداکثر آنتروپی حرکت می‌کند.

«ترمو» به معنای «گرما» است در حالی که «دینامیک» به معنای «در حال حرکت» یا «در جریان» است. گرما به عنوان مقدار قابل انتقال انرژی است که از یک جسم به جسم دیگر به دلیل تفاوت در سطوح دما منتقل می‌شود. گرما تابع مسیر است. از دمای بالا به سمت دمای پایین جریان می‌یابد. برای مثال اگر یک لیوان آب را در یک اتاق خالی قرار دهیم، می‌توانیم تفاوت دمای شیشه و اتاق را مشاهده کنیم. دمای شیشه 50 درجه سانتی گراد و دمای اتاق حدود 20 درجه سانتی گراد است. بعد از مدتی دمای شیشه و اتاق یکسان می شود. گرمای شیشه به محیط اطراف یعنی اتاق منتقل می شود. پس از رسیدن به تعادل ترمودینامیکی، تغییر خالص گرما صفر است.

شکل ۲: مثالی از حالت تعادل ترمودینامیکی در طول زمان.

۳) تعادل پویا

زمانی اتفاق می‌افتد که حالت‌های میانگین تکرار نشدنی در طول زمان وجود داشته باشد.

شکل ۳ : مثالی از حالت تعادل دینامیکی در طول زمان.

در حالی که در یک تعادل ایستا، همه کمیت‌ها دارای مقادیر غیرقابل تغییر هستند، در یک تعادل پویا، ممکن است کمیت‌های مختلف تغییر کنند. به عنوان مثال، در مدل رشد نئوکلاسیک، جمعیت شاغل با نرخی در حال رشد است که برون زا است (که خارج از مدل، توسط نیروهای غیراقتصادی تعیین می‌شود). در تعادل پویا، تولید و موجودی سرمایه فیزیکی نیز با همان سرعت رشد می‌کنند، با تولید به ازای هر کارگر و موجودی سرمایه به ازای هر کارگر بدون تغییر. به طور مشابه، در مدل‌های تورم، یک تعادل پویا شامل سطح قیمت، عرضه اسمی پول، نرخ دستمزد اسمی و سایر موارد می‌شود.

۴) تعادل ایستا

در جایی اتفاق می‌افتد که نیرو و واکنش متعادل می‌شوند و خواص سیستم در طول زمان بدون تغییر باقی می‌مانند.

شکل ۴ : مثالی از حالت تعادل ایستا در طول زمان.

۵) تعادل پایدار(با ثبات)

سیستم تمایل به بازگشت به همان تعادل اولیه پس از اختلال(تغییر جزئی یا کامل یک جامعه یا یک اکوسیستم توسط یک عامل زنده یا غیر زنده) نشان می‌دهد.

شکل ۵ : مثالی از حالت تعادل پایدار در طول زمان.

۶) تعادل ناپایدار

 سیستم پس از اختلال (تغییر جزئی یا کامل یک جامعه یا یک اکوسیستم توسط یک عامل زنده یا غیر زنده) به تعادل جدید باز می‌گردد.

شکل ۶ : مثالی از حالت تعادل ناپایدار در طول زمان.

بازخوردها

برای اینکه یک سیستم حالت تعادل پایدار یا شرایط متوسط ​​را حفظ کند، سیستم باید دارای ظرفیت خودتنظیمی باشد. خود تنظیمی در بسیاری از سیستم‌ها با بازخورد منفی و بازخورد مثبت کنترل می‌شود. مکانیسم‌های بازخورد منفی، وضعیت سیستم را با کاهش اندازه عناصر یا ویژگی‌های سیستم کنترل می‌کنند. مکانیسم‌های بازخورد مثبت اندازه یک یا چند عنصر یا ویژگی‌های سیستم را در طول زمان افزایش می‌دهند.

تعاملات بین موجودات زنده یا بین موجودات زنده و محیط غیرزیست معمولاً شامل بازخورد مثبت و بازخورد منفی است.  بازخورد زمانی اتفاق می‌افتد که وضعیت سیستم یک موجود زنده نه تنها به برخی از محرک‌های اصلی بلکه به نتایج وضعیت قبلی سیستم نیز بستگی دارد. بازخورد همچنین می‌تواند شامل وضعیت سیستم اجزای غیر زنده در یک اکوسیستم باشد. یک بازخورد مثبت باعث تغییر خودپایه می‌شود که وضعیت یک سیستم را افزایش می‌دهد. بازخورد منفی باعث می‌شود که سیستم به مرور زمان وضعیت خود را از دست بدهد. وجود مکانیسم‌های بازخورد منفی و مثبت در یک سیستم منجر به خود تنظیمی می‌شود.

برای نشان دادن نحوه عملکرد این مکانیسم‌ها، می‌توانیم به طور فرضی تغییرات رشد جمعیت شته‌ها را در آب و هوای عرض جغرافیایی متوسط ​​در مدل‌های گرافیکی زیر بررسی کنیم.

در طول زمستان تنها تعداد کمی از شته‌ها از دمای سرد زمستان و کمبود غذا زنده می‌مانند. با این حال، دماهای گرمتر در بهار باعث می‌شود گیاهان شروع به رشد کنند و غذا را برای شته‌ها فراهم کنند. فراوانی روزافزون غذا باعث افزایش باروری تک تک شته‌ها می‌شود و جمعیت شته‌ها به طور تصاعدی شروع به گسترش می‌کند. این وضعیت یک بازخورد مثبت است زیرا منابع غذایی فراوان باعث افزایش تولید مثل و رشد سریع جمعیت می‌شود.

افزایش فراوانی غذا بر اندازه جمعیت شته تأثیر مثبت می‌گذارد. تولدها به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد و بسیار بیشتر از مرگ و میر است که باعث افزایش جمعیت می‌شود.

 در اواخر تابستان عرضه گیاهان به حداکثر خود رسیده است.  در نتیجه، با گذشت زمان، در دسترس بودن غذا برای جمعیت رو به رشد شته‌ها برای هر فرد کمتر می‌شود. غذای کمتر به معنای کاهش تولید تخمک است و تولدها شروع به کاهش می‌کند. هنگامی که تولدها به همان میزان مرگ و میر می‌رسد، رشد جمعیت شته متوقف می‌شود و تثبیت می‌شود. جمعیت برای تامین مواد غذایی بسیار زیاد می‌شود. با شروع کاهش باروری شته‌ها، اندازه جمعیت نسبت به عرضه غذا بازخورد منفی ایجاد می‌کند.

با کاهش سطح فراوانی مواد غذایی تولید مثل شته‌ها کند می‌شود و مرگ و میر شروع به افزایش می‌کند. اندازه جمعیت شته‌ها شروع به کاهش می‌کند.

 با فرا رسیدن دماهای سردتر پاییز، عرضه گیاهان کاهش می‌یابد که باعث می‌شود جمعیت بزرگ شته‌ها با کمبود غذا بیشتر مواجه شوند. کمبود غذا باعث افزایش میزان مرگ و میر شته‌ها و کاهش زاد و ولد می‌شود. جمعیت به سرعت شروع به کاهش می‌کند. کاهش مواد غذایی ناشی از دمای خنک تر، بازخورد منفی را که از اواخر تابستان آغاز شد، افزایش می‌دهد.

 کاهش فراوانی غذا بر اندازه جمعیت شته‌ها اثر منفی می‌گذارد. مرگ و میر در حال حاضر بیشتر از تولد است و اندازه جمعیت شته‌ها شروع به کاهش می‌کند

مراجع:

Aurell, E., & Del Ferraro, G. (2016, March). Causal analysis, correlation-response, and dynamic cavity. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 699, No. 1, p. 012002). IOP Publishing.

Ding, Y., & Toulis, P. (2020, June). Dynamical systems theory for causal inference with application to synthetic control methods. In International Conference on Artificial Intelligence and Statistics (pp. 1888-1898). PMLR.

Cavaleri, S., & Sterman, J. D. (1997). Towards evaluation of systems‐thinking interventions: a case study. System Dynamics Review: The Journal of the System Dynamics Society, 13(2), 171-186.

Rahmandad, H., & Sterman, J. D. (2012). Reporting guidelines for simulation-based research in social sciences.

Shaker, F., Shahin, A., & Jahanyan, S. (2022). Investigating the causal relationships among failure modes, effects and causes: a system dynamics approach. International Journal of Quality & Reliability Management, 39(8), 1977-1995.

Sliva, A., Reilly, S. N., Casstevens, R., & Chamberlain, J. (2015). Tools for validating causal and predictive claims in social science models. Procedia Manufacturing, 3, 3925-3932.

Sterman, J. D. (2010). Does formal system dynamics training improve people’s understanding of accumulation?. System Dynamics Review, 26(4), 316-334.

Sugihara, G., May, R., Ye, H., Hsieh, C. H., Deyle, E., Fogarty, M., & Munch, S. (2012). Detecting causality in complex ecosystems. science, 338(6106), 496-500.