Demonstração experimental das condições de equilíbrio estático de corpos rígidos

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ISSN: 2525-8761 
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Demonstração experimental das condições de equilíbrio estático de 
corpos rígidos: Uma abordagem qualitativa utilizando materiais do 
cotidiano 
 
Experimental demonstration of static equilibrium conditions of rigid 
bodies: A qualitative approach using daily materials 
 
DOI:10.34117/bjdv7n5-611 
 
Recebimento dos originais: 07/04/2021 
Aceitação para publicação: 03/05/2021 
 
Vanessa Neris Velasque 
Acadêmico de Licenciatura em Física IFRO-Campus Porto Velho Calama 
Instituição: Instituto Federal de Rondônia, Campus Porto Velho Calama 
Endereço: Av. Calama, 4985 - Flodoaldo Pontes Pinto, Porto Velho - RO, Brasil 
E-mail: vanessaneris33@gmail.com 
 
Liza Bruna Reis Monteiro 
Acadêmico de Engenharia Civil IFRO-Campus Porto Velho Calama 
Instituição: Instituto Federal de Rondônia, Campus Porto Velho Calama 
Endereço: Av. Calama, 4985 - Flodoaldo Pontes Pinto, Porto Velho - RO, Brasil 
E-mail: lizabrunajb@hotmail.com 
 
Renielle Cristinne Moura Barbosa 
Acadêmico do curso Técnico em Química IFRO-Campus Porto Velho Calama 
Instituição: Instituto Federal de Rondônia, Campus Porto Velho Calama 
Endereço: Av. Calama, 4985 - Flodoaldo Pontes Pinto, Porto Velho - RO, Brasil 
E-mail: cristinne2602@gmail.com 
 
Maicon Maciel Ferreira de Araújo 
Mestre em Ensino de Física pela Universidade Federal de Rondônia - UNIR 
Instituição: Instituto Federal de Rondônia, Campus Porto Velho Calama 
Endereço: Av. Calama, 4985 - Flodoaldo Pontes Pinto, Porto Velho - RO, Brasil 
E-mail: maiconmaciel14071991@gmail.com 
 
Moacy José Stoffes Junior 
Mestre em Ensino de Física pela Universidade Federal de Rondônia. 
Instituição: Instituto Federal do Paraná, Campus Telêmaco Borba. 
Endereço: Rodovia PR 160, km 19,5 – Jardim Bandeirantes, Telêmaco Borba – PR, 
Brasil 
E-mail: moacy.stoffes@ifpr.edu.br 
 
Cléver Reis Stein 
Doutor em Física Pela Universidade de Brasília – UnB 
Instituição: Instituto Federal de Rondônia, Campus Porto Velho Calama 
Endereço: Av. Calama, 4985 - Flodoaldo Pontes Pinto, Porto Velho - RO, Brasil 
E-mail: clever.stein@ifro.edu.br 
 
 
 
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ISSN: 2525-8761 
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RESUMO 
Este trabalho teve como escopo demonstrar a importância do desenvolvimento de 
experimento no ensino de ciências, em especial na disciplina de física. Elucidando o 
papel do experimento no processo de ensino e aprendizado, sendo esse uma ferramenta 
categórica que o professor que trabalha no ensino de ciência precisa ter acesso e aplicar 
em sala de aula para que a construção e fixação do conhecimento seja alcançado. Tal 
prática deve ser desenvolvida em correlação com os conhecimentos empíricos e 
experiências do cotidiano que os alunos já possuem e a partir desse ponto, ser construído 
o conhecimento científico apresentado nos livros didáticos. Esse processo foi elucidado 
de forma satisfatória nessa pesquisa, tendo em vista, que os alunos que assistiram à 
exposição experimental em sala de aula obteve um percentual de 82,4% de acerto nas 
questões qualitativas propostas, já os que não assistiram, alcançou um percentual de 5% 
de respostas corretas. Esses números exemplificam de modo quantitativo a importância 
do aporte experimental para o desenvolvimento da disciplina de Física. 
 
Palavras Chaves: Ciências, Física, Experimento, Ensino. 
 
ABSTRACT 
This work has the objective to demonstrate the importance of developing the 
experimental part in science education, especially in physicas discipline. Elucidating the 
experimental role in teaching learning process, making a crucial tool that teachers 
working in teaching science needs access and apply in the classroom for the construction 
and establishment of knowledge is achieved. This practice should be developed in 
correlation with the empirical knowledge and everyday experiences that students 
already have and from that point on be built scientific knowledge presented in textbooks. 
This process was elucidated in a satisfactory manner in this research, students who 
attended the experimental classroom exposure earned a percentage of 82.4% qualitative 
proposals issues hit, those who don't already attended, achieved a 5% percentage of 
correct answers. These numbers illustrate the importance of quantitative mode 
experimental contribution to the development of the discipline of Physics. 
 
Keywords: Science, Physics, Experiment, Education. 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
A disciplina de física ao longo dos anos vem sendo ministrada, em geral, de 
forma descontextualizada e desarticulada dando ênfase apenas as leis e fórmulas isso 
faz com que haja um distanciamento do real significado do estudo dos fenômenos 
naturais por meio de observações experimentais de tais eventos. Este método tradicional 
de ensino prioriza a teoria e a abstração e persiste na resolução de exercícios repetitivos, 
almejando que o aprendizado advenha pela automatização ou memorização, enquanto o 
correto seria estimular o aluno a buscar a construção do conhecimento (BORGES, 
2006). 
Uma abordagem adequada para cognição de conhecimentos físicos deve, 
essencialmente, começar pela pergunta, pela inquietação, pela existência de problemas 
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e pela curiosidade. Cabe ao professor, antes de tudo, ensinar a perguntar e buscar 
observar na prática do cotidiano as aplicações dos temas explanados. Essa é uma questão 
fundamental no processo de ensino-aprendizagem. Para que o aluno possa fazer 
perguntas, torna-se necessário que o ponto de partida seja situações concretas da vida e 
do dia-a-dia. Ou seja, os conhecimentos de física não pode ser apresentados aos alunos 
como um produto pronto e acabado, fruto da genialidade dos grandes cientistas, mas 
sim, uma oportunidade de explorar o conteúdo em campo, por meio de experiências e 
observações de acontecimentos reais. 
Na maioria das vezes os conceitos abordado no ensino da disciplina de física, 
tais como, velocidade, aceleração, temperatura etc., já é de conhecimento do aluno, pois 
faz parte de suas experiências vividas na sociedade (LUCHESE, 2020). A literatura 
apresenta um estudo sistemático sobre os conhecimentos prévios, também denominados 
de concepções alternativas, conceitos espontâneos, essas pesquisas mostram que os 
indivíduos ao chegar à sala de aula já são detentores de um acervo de conhecimento e 
conceitos adquiridos no cotidiano e alguma dessas concepções não estão alinhadas com 
as definições científicas. Frequentemente, o entendimento dos fenômenos naturais a 
partir da teoria científica implica, para o aluno, uma modificação na forma de interpretar 
certos fatos. Deste modo, as condições de aprendizagem devem proporcionar, em 
primeiro lugar, que o aluno mencione seus conceitos a respeito dos assuntos em estudo 
e, posteriormente, é que devem ser apresentados problemas que venham a provocar 
conflito cognitivo. Ou seja, utilizar uma metodologia que envolva esses pré-conceitos e 
ao mesmo tempo facilite a transposição do conhecimento empírico ao cientifico é sem 
dúvidas, por meio de experimentos práticos que demonstrem de forma clara e concisa o 
fenômeno natural investigado naquela ação. 
A importância de realizar atividades experimentais no ensino de Ciências, em 
particular de Física é fundamental para a aprendizagem de conceitos científicos, este 
preceito é consenso entre professores, educadores ou pesquisadores da área. Entretanto, 
observa-se que a adoção dessa prática é muito rara por parte da maioria dos docentes, 
tanto em sala de aula quanto em laboratório;na maioria das escolas públicas, é uma 
prática esporádica, assistemática e sem metodologia definida (GASPAR, 2014). 
Inicialmente apresentaremos o contexto histórico do ensino experimental da Física. 
As primeiras tentativas de utilização de práticas experimentais no ensino de 
Física datam-se dos meados do século XIX, propostas inicialmente na França. 
Inicialmente a metodologia empregada pelos professores era somente expositiva, os 
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laboratórios didáticos inexistiam (BENFÍCA, 2020). Os equipamentos construídos 
artesanalmente eram levados para a sala de aula: 
 
O uso de equipamentos de demonstração, apresentação e operados pelo professor, 
era a prática didática praticamente exclusiva na maioria das escolas naquela época 
e parte integrante de uma modelo de ensino que, em pedagogia, se costuma chamar 
de ensino tradicional. Ele apresenta três características básicas: o professor detinha 
a autoridade do saber; o aluno mantinha-se em atitude passiva e privilegiava-se o 
cumprimento do currículo (GASPAR, 2014). 
 
Com o advento da corrente pedagógica Escola Nova no início do século XX, 
fortes críticas forem feitas a esse modelo. Segundo a Escola Nova o aluno deve ser um 
ser ativo na construção do conhecimento. Não obstante, esse movimento perdeu força 
diante do fracasso das iniciativas provenientes desta corrente (GASPAR, 2014). 
No entanto, foi Physical Science Study Committe (PSSC), comissão formada em 
1956 por renomados físicos norte-americanos visando à reformulação do ensino da 
Física nos Estados Unidos, que trouxe mudanças que tiveram impacto de como se 
ensinava Física, em especial em relação à experimentação. 
 
O material do PSSC incentivava a participação ativa do estudante através de uma 
ação pedagógica que deveria promover discussões, estimuladas pelo contato com 
questões abertas e com a manipulação experimental. Essa manipulação 
experimental era realizada exigindo que todos os estudantes realizassem o 
experimento ao mesmo tempo. Os kits de experiência eram acompanhados por guias 
que explicavam o funcionamento do equipamento e que forneciam informações 
básicas sobre a atividade, sem, contudo, detalhá- las. Os “guias de laboratório” que 
acompanhavam os experimentos afastavam-se das conhecidas fórmulas “cook-
book” (roteiros prontos para a realização dos experimentos, em que o estudante deve 
seguir instruções detalhadas e sequênciais) (grifo nosso), (PENTEADO, 2002). 
 
Apesar de todo o esforço de implantação, os resultados em relação ao PSSC se 
mostraram pouco animadores, tanto nos Estados Unidos quanto nos demais países onde 
foi implantado. Mesmo não apresentado resultados convincentes, o PSSC foi um marco 
para o ensino da Física, uma vez que, pela primeira vez uma forma exequível de ensinar 
Física diferente do “ensino tradicional” foi implementado (ARAGÃO, 2006). 
Outros projetos semelhantes ao PSSC, como Projeto Harvard e Nuffield, 
também não obtiveram sucesso (GASPAR, 2014). 
No Brasil, o Projeto de Ensino de Física (PEF), iniciativa do Instituto de Física 
da Universidade de São Paulo (USP) em convênio com o Ministério da Educação e 
Cultura (MEC) e outras instituições, propôs um texto apresentado em quatro fascículos. 
No campo da experimentação, o PEF trouxe algumas inovações: 
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[...] a parte experimental do PEF é integrada no curso, sendo praticamente 
impossível seguir o texto sem realizar as experiências lá especificadas. Assim, o 
equipamento experimental não deve ser encarado como um apêndice acessório ao 
texto, mas com parte integrante do curso, sem o qual ele fica mutilado 
(HAMBURGER e MOSCATI, 1974 apud GASPAR, 2011). 
 
Todas as tentativas acima apresentadas fracassaram ou os resultados se 
mostraram tímidos diante da realidade das salas de aula. Destarte, mesmo após mais de 
um século, a utilização da experimentação continua sendo um grande desafio. No Brasil, 
a ausência de laboratórios, a má qualidade dos kits experimentais, falta de professores 
qualificados e com carga horária excessiva, exames que contemplam principalmente a 
memorização, entre outros motivos, justificam em parte o insucesso (GASPAR, 2014). 
O desinteresse dos alunos nas aulas de Física, em geral, está relacionado às aulas 
expositivas teóricas, onde os estudantes são passivos na construção do conhecimento. 
Nesse sentido, a importância das atividades experimentais para o ensino de Física foi 
também valorizado por Borges (2011): 
 
Por considerar que se trata de um método de aprendizagem que permita a 
mobilização do aprendiz, no lugar da passividade. Acredita que a riqueza das 
atividades experimentais consiste em proporcionar aos estudantes o manuseio de 
coisas e objetos num exercício de simbolização ou representação, para se atingir a 
conexão dos símbolos. 
 
Partindo do princípio que a aprendizagem se constrói a partir da participação 
ativa na construção do conhecimento, as experiências de baixo custo vêm para auxiliar 
e propiciar aos professores a chance de verem seus alunos engajados com a disciplina. 
Villatore (2008) defende essa ideia “o experimento constitui um estimulo à 
argumentação dos alunos, que se dá quando eles discordam, apoiam e compartilham 
opiniões, informações e verificações”. 
Em decorrência da importância da abordagem experimental no ensino da 
disciplina de física em todos os níveis de conhecimento (ALBERTON, 2020), o presente 
trabalho tem como objetivo central avaliar e demonstrar a colaboração da pratica 
experimental no processo de ensino aprendizado das ciências exatas, para tanto será 
utilizada um experimento de mecânica estática, assunto esse relacionado ao ensino de 
física no ensino médio. 
 
2 MATERIAIS E MÉTODOS 
O conteúdo de Física selecionado para verificar o potencial educacional das 
atividades experimentais de baixo custo foi à estática. Esta escolha justifica-se não só 
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pelo fato dos alunos considerarem complexos os conceitos de torque e equilíbrio, mas 
também pela aplicação tecnológica do tema em várias áreas do conhecimento, a 
exemplo da Engenharia Civil, as obras civis devem ser estáveis, apesar das forças que 
atuam sobre elas. Um edifício deve ser estável apesar da força gravitacional e do vento 
que age sobre ele. 
Em 2 turmas, inicialmente, foi feita somente uma breve apresentação dos 
conceitos da estática, uma vez que, esse conteúdo pertence à ementa do 2º ano do Ensino 
Médio, já estudados no ano anterior. A seguir, aplicou-se um teste do tipo lápis e papel, 
composto por questões discursivas, com a finalidade verificar o nível de conhecimento 
dos alunos a respeito do tema e, posteriormente, comparar os resultados com os das 
turmas onde se desenvolveu as atividades experimentais. 
Já nas 2 turmas restantes, desenvolveu as experiências de forma expositiva e, a 
seguir, aplicou o mesmo teste usado nas turmas onde foi empregada aula expositiva 
Um dos interesses da física é conhecer o que faz com que um objeto permaneça 
estável na presença de forças, para tanto, deve haver um equilíbrio de forças e torque 
que atua sobre os objetos rígidos. 
Um objeto está em equilíbrio quando satisfaz as seguintes condições: 
a – O momento linear de seu centro de massa é constante; 
b – O momento angular em relação ao seu centro de massa é constante. 
O foco dos experimentos aplicado consiste em examinar situações onde os 
momentos lineares e angulares são nulos, ou seja, os objetos não se movem, nem em 
translação nem em rotação, no sistemade referência em que estão sendo observados. 
Satisfazendo essas condições, dizemos que esses objetos estão em equilíbrio estático. 
Em uma situação onde um corpo é deslocado pela ação de uma força e o mesmo retorna 
ao mesmo estado de equilíbrio estático após ter sido deslocado, este está em equilíbrio 
estático estável, por outro lado, se uma pequena força é suficiente para deslocar o corpo 
de forma permanente, dizemos que o corpo está em equilíbrio estático instável 
(NUSSENZVEIG, 1997). 
A análise do equilíbrio estático é muito importante para os engenheiros 
projetistas, que deve identificar todas as forças e torques externa a que uma estrutura 
pode ser submetida e através de um projeto bem feito e de uma escolha adequada de 
materiais, assegurar que a estrutura permaneça estável sob o efeito das forças 
(HALLIDAY, 2002). 
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O movimento de translação de um objeto é governado pela segunda lei de 
Newton: 
�⃗�𝑟𝑒𝑠 = 𝑚�⃗� (1) 
Onde, �⃗�, m e �⃗� são respectivamente a força resultante, a massa e a aceleração do 
objeto. Para o equilíbrio estático a seguinte condição dever ser satisfeita: 
�⃗�res = 0 (2) 
Assim, a somatória de todas as forças que atua no corpo deve ser zero. 
Para o movimento de rotação, a segunda lei de Newton para a rotação assume a 
seguinte forma: 
𝜏res = �⃗⃗� x �⃗� (3) 
Sendo 𝛕 o torque resultante sobre o corpo, R é a distância entre o ponto de 
referencia a linha de ação da força �⃗�. 
O momento angular é descrito por: 
�⃗⃗� = �⃗⃗� x 𝑝 = m(�⃗⃗� x �⃗�) (4) 
Com �̅� = 𝑚�̅�, sendo v a velocidade do corpo. A taxa de variação com o tempo 
deste momento angular é igual ao torque externo resultante que age sobre o sistema, 
com isso o torque pode ser expresso com a seguinte configuração: 
 𝜏res = 
Δ�⃗⃗�
Δt
 (5) 
Para o corpo está em equilíbrio estático para as rotações o momento angular deve 
ser nulo, �⃗⃗� = 0, a partir disso, tem – se: 
 𝜏res = 0 (6) 
Com isso, o torque resultante sobre o corpo é zero. 
Em suma, para que um objeto esteja em equilíbrio é necessário que os seguintes 
requisitos sejam cumpridos (HALLIDAY, 2002): 
a – a soma vetorial de todas as forças externas que agem sobre o corpo deve ser nula. 
b – a soma vetorial de todos os torques externos que agem sobre o corpo, medidos em 
relação a qualquer ponto, deve ser nula. 
Esses dois requisitos, obviamente, valem para o equilíbrio estático. Entretanto, 
eles valem também para o caso de equilíbrio mais geral no qual os momentos linear e 
angular são constantes, mas diferentes de zero. 
O entendimento dessas condições físicas iniciais do sistema é essencial para a 
utilização desses conhecimentos no âmbito teórico e prático. Com a finalidade de 
proporcionar um aprendizado significativo, ou seja, desenvolver um mecanismo que 
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auxilie na fixação do saber ao que tange esse assunto, para tanto, foi proposto à 
realização de dois experimentos que ilustram de forma clara e concisa todos os conceitos 
teóricos e fórmulas compreendidas nesse tema, os experimentos supracitados são: 
Primeira experiência: demonstrar a possibilidade de equilibrar um martelo, sem 
fixar qualquer objeto, apenas realizando o posicionamento correto para que as duas 
condições de equilíbrio sejam satisfeitas. A foto a seguir ilustra tal situação: 
 
Figura 1: Ilustração da experiência de equilíbrio estático do martelo. Para essa configuração a régua e o 
martelo não estão fixados no suporte nem um no outro, o equilíbrio estático é alcançado com a realização 
das condições de contorno. 
 
 
Segunda experiência: explanar a possibilidade de fazer dois garfos ficarem 
suspenso sem a utilização de suporte e/ou fios. Esse feito é obtido com a aplicação 
correta da simetria no posicionamento dos garfos, a configuração deve ser tal que as 
condições de equilíbrio estático sejam atendidas. A imagem a seguir mostra a 
configuração da experiência: 
 
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Figura 2: Imagem da experiência de equilíbrio de garfos. Nessa configuração os garfos estão suspensos 
sem o uso de suporte e/ou fios, apenas um palito de fosforo faz a ponte entre a borda do copo e os garfos, 
porém, nenhuns dos objetos estão fixos. 
 
 
De forma geral, é de consenso entre os professores que atuam nas disciplinas de 
ciências que a utilização de experimentação é uma ferramenta primordial para o 
desenvolvimento do ensino, no entanto, na maioria das vezes que essa prática é 
empregada, identifica-se uma deficiência na ligação entre os conteúdos trabalhados 
(teoria) com o cotidiano dos alunos (BARBOSA, 1999) tornando assim a experiência 
apenas mais uma das inúmeras tarefas que compreendem o ensino (ATX, 1991). 
 
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 
Com vista em analisar viabilidade do emprego das atividades experimentais de 
baixo custo, as respostas das questões do teste descrito na seção de materiais e métodos, 
foram qualificadas em: respostas corretas, respostas parcialmente corretas e respostas 
incorretas: 
Resposta Correta: o aluno respondeu a pergunta e conseguiu relacionar e 
explicar os conceitos e fenômenos envolvidos na questão. 
Resposta Parcialmente Correta: o aluno respondeu parcialmente a questão, 
realizou alguma explicação relacionada aos conceitos envolvidos, ainda que tenha sido 
sem objetividade. 
Resposta Incorreta: o aluno não respondeu e/ou sua resposta não apresentou 
relação com o tema indagado. 
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O fruto dessa metodologia foi um resultado estatístico, que demonstrou o 
desempenho dos dois grupos, com e sem intervenção experimental, na descrição dos 
fenômenos abordados. 
O gráfico a seguir apresenta a analise das respostas dos alunos que não assistiram 
a execução das experiências. 
 
Figura 3: gráfico da análise das respostas dos alunos que não assistiram a execução das experiências, 
grupo amostral. 
 
 
Observa-se que houve uma porcentagem de 76,5% de erros nas respostas, 
mesmo se tratando de um tema que os alunos estudaram no ano anterior, o que 
demonstra que não aconteceu uma fixação do conhecimento transmitido. 
Na figura seguinte são apresentados os resultados das mesmas questões, porém, 
esse público respondeu após a apresentação das experiências. 
 
5%
18%
77%
Análise das respostas
Resposta Correta Resposta Parcialmente Correta Resposta Incorreta
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Figura 4: gráfico da análise das respostas dos alunos que responderam ao questionário após a apresentação 
das experiências, grupo experimental. 
 
 
Para esse grupo, a porcentagem de acerto nas respostas foi de 82,4%, 
considerando que o questionário foi aplicado após o desenvolvimento das experiências 
e que essas foram desenvolvidas de forma visual sem a intervenção de qualquer outro 
recurso didático, fica claro que esse rendimento se deve a execução do experimento. 
Esses resultados demonstram a contribuição da experimentação para o processo ensino 
aprendizado. Tal prática deve estar atrelada ao ensino de ciências, pois dessa forma a 
arte de aprender se torna mais atraente aos olhos dos alunos, além de proporcionar um 
aprendizado significativo. 
 
4 CONCLUSÃO 
A presente pesquisa frisou a importância da parte experimental no ensino de 
ciências, dando ênfase a disciplina defísica desenvolvida no ensino médio. Para tanto 
foi desenvolvido duas experiências de equilíbrio estático, construídas a partir de 
materiais de baixo custo e reciclados, atrelado a elas foi montado um questionário 
alinhado aos conceitos e definições envolvidos no tema. A dinâmica de aplicação do 
questionário se deu de duas formas: em um primeiro momento o questionário foi 
aplicado a turmas de terceiros anos que não tiveram contato com o experimento; num 
segundo momento foram aplicadas as experiências em outras turmas de terceiros anos 
e em seguida coletado as respostas. Com essa metodologia, foi possível identificar que 
as turmas que tiveram o contato com a parte experimental apresentou um maior 
82%
13%
5%
Análise das respostas
Resposta Correta Resposta Parcialmente Resposta Incorreta
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percentual de acerto nas respostas. Mostrando com isso a importância do 
desenvolvimento da parte experimental no ensino de ciências. 
 
 
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