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Oscilações e Ondas Oscilações são fenômenos em que pelo menos uma grandeza de um sistema varia periodicamente com o tempo. Propagação de energia em uma região do espaço, através de uma perturbação, sem haver transporte de matéria Ondas Ondas Mecânicas São perturbações que se propagam através de meios materiais Não precisa de meio material para se propagar Ondas eletromagnéticas Ondas Transversais Quando a perturbação for perpendicular à direção de propagação da onda Ondas Longitudinais Quando a direção da perturbação for a mesma da direção de propagação da onda. Corresponde ao lugar geométrico onde os pontos do meio são alcançados ao mesmo tempo. Pode corresponder a um ponto, uma linha ou a uma superfície conforme a onda se propague em uma, duas ou três dimensões. Onda unidimensional Onda bidimensional Onda tridimensional Frente de onda A propagação de uma onda mecânica consiste numa sucessão de perturbações no meio em torno de uma posição de equilíbrio. Propagação de uma onda mecânica Não há deslocamento de partículas do meio na direção de propagação, apenas oscilações em torno da posição de equilíbrio. Ondas Mecânicas Surf e ondas Com é possível o surf se uma onda não transporta matéria? O fenômeno conhecido como "ARREBENTAÇÃO" é muito conhecido dos surfistas, uma vez que este fica impossibilitado de se deslocar sobre a crista da onda caso a onda em questão não se arrebente. De um modo geral, só é possível se praticar o surfe em regiões próximas da praia. Isto ocorre pois o refluxo das águas que acontece na parte na região inferior acaba causando uma diferença de velocidades nas partes inferior e superior da onda, tendo como resultado que a parte superior passa por cima da parte inferior. Caso uma onda não tenha arrebentado, o surfista não pode se deslocar em direção à praia pois não ocorre o arrastamento, mas sim, apenas uma oscilação vertical da prancha. Surf e ondas Surf e ondas A combinação de ondas separadas na mesma região do espaço para produzir uma onda resultante se chama interferência Uma consequência do princípio da superposição é que duas ondas progressivos podem se cruzar sem ser destruídas ou mesmo alteradas. Se duas ou mais ondas progressivas estão se movendo em um meio e se combinam em um dado ponto, o deslocamento resultante do meio nesse ponto é a soma dos deslocamentos das ondas individuais. Princípio da Superposição Interferência construtiva: Quando o pulso resultante da superposição é maior que qualquer de seus componentes. Princípio da Superposição Interferência destrutiva: Se um dos pulsos for invertido com relação ao outro durante a superposição eles tendem a se anular. Princípio da Superposição Princípio da Superposição Fone de ouvido com “cancelamento de ruído” (ou “cancelamento de ruído ativo”) utilizam tecnologia electrônica para cancelar o ruído ambiente. Embora os diferentes fabricantes utilizem diferentes tecnologias, a maior parte incorpora um pequeno microfone que identifica as fontes principais de ruído ambiente permitindo depois a emissão de um sinal oposto de modo a cancelar o som por elas produzido. Estes auscultadores funcionam especialmente em ruídos constantes. Ruido Anti- Ruído Residual Note que Cancelamento de Ruído Ativo não anula o ruído, mas remove uma porção significante do ruído do ambiente. Cancelamento de ruído Revisão: Trigonometria A unidade mais comum para medir ângulos é o grau, definida a partir do ângulo reto: 1 ângulo reto = 90 graus = 90o. Entretanto, quando a trigonometria é usada para representar oscilações, os ângulos costumam ser medidos em radianos; Um radiano é o ângulo que, tendo seu vértice no centro de um círculo, subentende um arco cujo comprimento é igual ao comprimento do raio desse círculo. Revisão: Trigonometria O número de radianos de um ângulo central em um círculo de raio é definido como sendo a razão entre o comprimento l do arco subentendido e o comprimento do raio π rad = 180o Equivalências 2π rad = 360o π/2 rad = 90o π/4 rad = 45o 3π/2 rad = 270o A onda pode ser descrita matematicamente pela função seno, e portanto esse tipo de onda é mais comumente chamado de onda senoidal. Uma onda harmônica simples pode ser produzida numa corda longa movendo-se uma de suas extremidades para cima e para baixo com igual deslocamento vertical. Onda Harmônica Simples A A Amplitude (A) É o deslocamento vertical máximo da onda Nó Crista Parte alta da onda Vale A parte baixa Características de uma onda A A λ λ Comprimento de onda (λ) Distância mínima em que a forma da onda se repete Características de uma onda Equação da onda y A 900 1800 2700 3600 4 λ λ 2 λ 3 4 λ θ (o) x (λ) O deslocamento vertical y de uma onda senoidal em termos do ângulo θ é descrito por seny A θ= Equação da onda y A 900 1800 2700 3600 4 λ λ 2 λ 3 4 λ θ (o) x (λ) Como o comprimento de onda λ corresponde um ângulo de θ de 360º ou de 2π radianos, o deslocamento vertical y também pode ser escrito em função da distância. 0360 2sen seny A x A xπ λ λ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= =⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠ Equação da onda ( ) ( ) 0360 2sen seny A x vt A x vtπ λ λ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= − = −⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦ Se, com o decorrer do tempo, essa onda se propagar para a direita com velocidade v, após um tempo t, a onda terá percorrido uma distância vt. Portanto, a equação da onda no instante t será y x vt Instante inicial Instante t Período (T) é o tempo necessário para a fonte produzir uma onda completa. No SI é medido em segundos. Freqüência (f) é o número de oscilações da onda, por um certo período de tempo. A unidade de frequência do Sistema Internacional (SI), é o hertz (Hz), que equivale a 1 segundo T v λ = 1f T = v fλ= 0sen 360 sen 2x t x ty A A T T π λ λ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − = −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ( ) ( ) 0360 2sen seny A x vt A x vtπ λ λ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= − = −⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦ Número de onda (k) é o número de comprimento de onda λ na distância 2π 2k π λ = Frequência angular (ω) é o número de período con3do na distância 2π 2 2 f T π ω π= = sen 2 x ty A T π λ ⎡ ⎤⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ( )seny A kx tω= −⎡ ⎤⎣ ⎦ ( )seny A kx tω= +⎡ ⎤⎣ ⎦ Onda que progride para a esquerda Onda que progride para a direita Exercício: Uma onda senoidal tem amplitude A = 1cm e comprimento de onda λ = 30 cm. Qual é seu deslocamento vertical em x = 15cm? Exercício: A equação de uma onda transversal progressiva numa corda é ( )20sen 0,01 2,00y x tπ= −⎡ ⎤⎣ ⎦ na qual x e y são medidos em centímetros e t em segundos. Determine a amplitude, o comprimento de onda, a velocidade e a frequência da onda. Ondas sonoras Ondas sonoras Um meio elástico é constituído de qualquer material que tende a preservar seu comprimento, forma e volume contra forças externas A velocidade de propagação da onda em meios elásticos depende, em geral, das características da elasticidade e da densidade do meio. Velocidade de Propagação em meios elásticos Para ondas transversais numa corda Tv µ = T = Tensão na corda (Unidade em N) µ = Densidade linear (massa por unidade de comprimento) Velocidade de Propagação em meios elásticos Para ondas longitudinais num fluido Bv ρ = Módulo Volumétrico Densidade do fluido F AB V V = Δ O módulo volumétrico B é definido como uma medida da tendência de um material em manter seu volume contra as forças externas F é a intensidade da força externa que age sobre a área A, ΔV é a variação no volume e V o volume inicial Velocidadede Propagação em meios elásticos Para ondas longitudinais num sólido Yv ρ = Módulo de Young Densidade do sólido F AB L L = Δ O módulo de Young é definido como uma medida da tendência de um material em manter o seu comprimento contra as forças externas. F é a intensidade da força externa que age sobre a área A, ΔL é a variação no comprimento e L o comprimento inicial Sabe-se que a densidade e as características de elasticidade do meio variam com a temperatura e a pressão desse meio Velocidade de Propagação em meios elásticos Y 1) Qual é a velocidade da onda numa corda de violão cuja massa por unidade de comprimento é de 0,015 kg/m, na qual é aplicada uma tensão de 30N? 2) O módulo volumétrico da água doce é (1/49)x1011Pa, uma onda longitudinal de 262 Hz está se propagando na água. Determine: a) A velocidade dessa onda b) O comprimento de onda Exercício É importante notar que essa velocidades são independentes do comprimento de onda e da frequência das ondas. constantef vλ = = Toda vez que a frequência da onda aumentar ou diminuir, o comprimento de onda deve diminuir ou aumentar a fim de manter v constante. Exemplo: A velocidade do som no ar a 20oC independe da frequência e é igual a 344m/s, isto é, a velocidade é a mesma para o som audível, o infra-som e o ultra som. Meio não dispersível Quando uma onda passa de um meio para outro, a velocidade e comprimento de onda mudam, enquanto que a frequência permanece, se mantém constante. constantevf λ = = Meio não dispersível 1) Qual é a velocidade da onda numa corda de violão cuja massa por unidade de comprimento é de 0,015 kg/m, na qual é aplicada uma tensão de 30N? 2) O módulo volumétrico da água doce é (1/49)x1011Pa, uma onda longitudinal de 262 Hz está se propagando na água. Determine: a) A velocidade dessa onda b) O comprimento de onda Exercício Onda Harmônica Sonora Um onda harmônica sonora unidimensional pode ser produzida efetuando-se um movimento harmônico simples num pistão, que impele uma coluna de ar em um tubo muito longo e estreito. (a) (b) (c) (a) Variação na densidade do ar no interior do tubo no instante t; (b) Deslocamento horizontal y dos elementos do ar em função da posição x no instante t; (c) Variação da pressão P em função da posição x no instante t. Onda Harmônica Sonora Se o pistão executar um movimento harmônico simples de frequência angular ω, formar-se-á uma onda de pressão que pode ser descrita pela fórmula. (a) (b) (c) )(0 tkxsenPP ω−= É importante observar que P é a variação da pressão em relação à pressão de equilíbrio (não-perturbada), na ausência da onda, e a amplitude P0 é o valor máximo dessa variação de pressão, comumente chamada amplitude de pressão. Outra função válida é, ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= T txsenPP λ π20 O som é uma onda longitudinal, que se propaga em um meio material (sólido, líquido ou gasoso), cuja frequência está compreendida, aproximadamente, entre 20 hertz e 20.000 hertz. Freq. < 20 hertz: infra-som Freq. > 20.000 hertz: ultra-som } Não provoca sensação sonora ao atingirem o ouvido humano Som Anatomia do Ouvido Revista Veja de 21/Jun/06 pág 94 http://w w w .freem osquitoringtones.org/ R ingtones com frequências altas http://www.freemosquitoringtones.org/ Ringtones com frequências altas Quanto maior for a quantidade de energia por unidade de tempo que a onda sonora transportar até nosso ouvido, maior será a intensidade do som que se percebe. No SI [I] = J/m2.s = W/m2 Intensidade do Som S P tS EI = Δ Δ = Se as ondas se expandem igualmente em todas as direções a partir de uma fonte, a intensidade a uma distância r da fonte é inversamente proporcional a r2. Intensidade do Som 24 r PI π = Quanto maior a distância de uma fonte de ondas, maior a área sobre a qual a potência da onda é distribuída e menor a intensidade da onda. Sabe-se que a quantidade de energia transportada por uma onda é tanto maior quanto maior for a amplitude (A) da onda ( )2 2 vI Aρ ω= sendo ρ, v e ω, respectivamente, a densidade do meio, a velocidade de propagação da onda nesse meio e a frequência angular. Intensidade do Som O ouvido humano pode detectar intensidades sonoras que vão desde 10-12 W/m2 até 1 W/m2. Devido a esse grande intervalo, uma escala logarítmica de base dez é usado para definir o nível de intensidade sonora β (decibel-dB) 0 ( ) 10log IdB I β ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ onde I é a intensidade sonora e I0 a intensidade de referência de 10-12 W/m2 . Nível de intensidade sonora decibel - dB Som Intensidade (W/m2) Nível de intensidade (dB) Limiar de audição 10-12 0 Respiração normal 10-11 Murmúrio (a 5m) 10-9 Conversação normal (1m) 10-6 Tráfego pesado 10-5 Concerto de rock (limiar doloroso) 100 120 Decolagem de jato (nas vizinhanças) 103 150 0 ( ) 10log IdB I β ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ decibel - dB Som Intensidade (W/m2) Nível de intensidade (dB) Limiar de audição 10-12 0 Respiração normal 10-11 Murmúrio (a 5m) 10-9 Conversação normal (1m) 10-6 Tráfego pesado 10-5 Concerto de rock (limiar doloroso) 100 120 Decolagem de jato (nas vizinhanças) 103 150 0 ( ) 10log IdB I β ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ decibel - dB log( ) log( ) log( )ab a b= + log( / ) log( ) log( )a b a b= − log( ) log( )ba b a= http://migre.me/8UAai Uma (an-echoic, sem eco) é uma sala projetada para conter reflexões, tanto de ondas sonoras quanto eletromagnéticas. Elas também são isoladas de fontes externas de ruído. A combinação de ambos os aspectos significa que elas simulam um espaço aberto de dimensão infinita, que é uma característica útil quando influências externas podem interferir nos resultados. http://migre.me/8UAgD Câmara Anecoica http://migre.me/8UAai http://migre.me/8UAgD Câmara Anecoica “Quando está quieto, seus ouvidos se adaptam. Quanto mais quieta a sala, mais coisas você escuta. Você ouve seu coração batendo, às vezes você consegue ouvir seus pulmões, seu estômago barulhento trabalhando. ‘Na câmara anecóica, você vira o som.’ E essa é uma experiência bastante desorientadora. O sr. Orfield explicou que é tão desconcertante que sentar é uma necessidade. ‘A forma como você se orienta é através dos sons que escura quando caminha. Na câmara anecóica, você não tem nenhum auxílio. Lhe são tirados os auxílios perceptíveis que lhe permitem se equilibrar e manobrar. Se você ficar lá por meia hora, você vai precisar de uma cadeira.’” Decibéis muito acima do tolerável ocupam hoje o terceiro lugar no ranking de problemas ambientais que mais afetam populações do mundo inteiro, segundo a Organização Mundial da Saúde (OMS) — a poluição do ar e a da água estão na dianteira. Poluição sonora Poluição sonora A dificuldade para os cientistas está em determinar em quantos decibéis começa exatamente o que se considera barulho. Por definição, barulho é todo som desagradável e neste ponto o problema torna-se bastante subjetivo -- depende até do local onde as pessoas se encontrem. Um trabalho do Instituto de Pesquisas Tecnológicas da USP mostra que em casa, em salas de leitura ou em escritórios, as pessoas consideram o ambiente muito barulhento quando o som ultrapassa 50 decibéis, o ruído de um carro pouco ruidoso. Mas o trabalhadores de oficinas acham que, com essa mesma intensidade de som, o ambiente está calmíssimo -- para eles, por força do hábito, o inferno só começa a partir de 70 decibéis, o som da passagem de um trem de passageiros. Enquanto os outros sentidos descansam durante o sono, os ouvidos, ao contrário, se mantêm em estado de alerta Quando os sons não passam dos 35 decibéis — nível encontrado em uma biblioteca, por exemplo —, a noite corre tranqüila e sem sobressaltos. Se, durante a noite, o nível de ruídoatinge os 75 decibéis, como em uma rua movimentada, há uma perda de 70% nos estágios profundos do descanso, fundamentais para a consolidação da memória e do aprendizado e também para a renovação das células do corpo Poluição sonora Poluição sonora Qualquer som acima dos 55 decibéis é interpretado pelo organismo como uma agressão. Para preparar sua defesa, o cérebro ordena que as supra-renais, glândulas localizadas acima dos rins, liberem boas doses de cortisol e adrenalina, os hormônios do estresse. Esse é o gatilho para uma série de reações: Órgãos genitais: passam a receber menos sangue. O homem fica com dificuldade de ereção e a mulher pode perder o desejo sexual. Cérebro: a pressão intracraniana sobe e a cabeça dói. A concentração e a memória ficam prejudicadas pela ação dos hormônios do estresse, que ainda levam a uma sensação de exaustão, gerando agressividade. Músculos: eles se contraem ao máximo e começam a liberar na corrente sangüínea uma série de substâncias inflamatórias. Pulmões: a respiração se acelera e esses órgãos passam a funcionar a toda velocidade. Com o tempo, a sensação de cansaço é inevitável. Coração: ele começa a bater rapidamente e de maneira descompassada. Os vasos sangüíneos se contraem e a pressão arterial sobe. O risco de infarto e derrame cresce. Sistema digestivo: o estômago passa a fabricar suco gástrico além da conta, o que pode levar à gastrite e à úlcera. Já o intestino praticamente trava. O resultado é prisão de ventre. O Programa de Silêncio Urbano (PSIU) da Prefeitura de São Paulo O órgão trabalha com base em duas leis: a da 1 hora e a do ruído. A primeira determina que, para funcionarem após à 1 hora da manhã, os bares e restaurantes devem ter isolamento acústico, estacionamento e segurança. Antes desse horário, a Lei do Ruído controla a quantidade de decibéis emitidos pelos estabelecimentos, a qualquer hora do dia ou da noite. Poluição sonora Lei do Silêncio em Belo Horizonte, em vigor desde 2008 Fiscalização de Postura em Ouro Preto 31 3559 3244 Fiscalização na medição de poluição sonora com decibelímetro Poluição sonora 1) Qual a intensidade em W.m-2 de um som de 100 dB? 2) Um alto falante de 50 dB é associado a outro de 40dB. Qual a intensidade sonora resultante? Obs.: É necessário calcular as intensidades I em W.m-2 de cada alto-falante, para aplicar a fórmula decibélica à soma obtida. Exercício A altura de um som é caracterizada pela frequência da onda sonora. Um som de pequena frequência é grave (baixo) e um som de grande frequência é agudo (alto). Cantores de música clássica Baixos: voz grave-homem Tenores: voz aguda-homem Sopranos: voz aguda-mulher Altura do som O timbre se refere a todas as características do som que não sejam determinadas pela intensidade, altura e duração. Em termos da forma de onda, é o timbre que diferencia duas ondas de mesma amplitude e freqüência. Dessa forma, ainda que tenham a mesma intensidade, altura e duração, os timbres das vozes de duas pessoas diferentes são diferentes, assim como são diferentes os timbres de um piano e de um violino. Timbre Diapasão Flauta Violino Voz (letra a) Clarineta Onda que se propaga para direita Onda que se propaga para esquerda Duas ondas que são idênticas que se propagam em sentidos opostos no mesmo meio. Ondas estacionárias De acordo com o princípio da superposição, a soma dessas duas funções fornece a função de onda y resultante: Ondas estacionárias Usando a identidade trigonométrica chegamos a equação, Função de onda estacionária De acordo com o princípio da superposição, a soma dessas duas funções fornece a função de onda y resultante: Ondas estacionárias Função de onda estacionária • Cada partícula da corda vibra em movimento harmônico simples com a mesma frequência angular ω (o fator cos ωt) • A amplitude do movimento de uma dada partícula depende de sua posição ao longo da corda, descrita pela variável x (fator 2A sen kx) Função de onda estacionária Amplitude da onda estacionária Quando a amplitude máxima do movimento harmônico simples tem valor de 2A Isso ocorre quando a coordenada x satisfaz a condição senkx=1, ou quando Como k=2π/λ, as posições de máxima amplitude, chamadas de antinodos são: onde n = 1, 3, 5 ... Função de onda estacionária Amplitude mínima da onda estacionária Quando o movimento harmônico simples tem valor igual a zero Isso ocorre quando a coordenada x satisfaz a condição senkx=0, ou quando Isso fornece onde n = 0,1, 2, 3 ... Estes pontos de amplitude nula são chamados nodos. Padrões de ondas estacionárias em diversos instantes produzidos por duas ondas de mesma amplitude propagando- se em sentidos opostos t =0 t =T/4 t =T/2 Corda de comprimento L fixa nas extremidades A corda tem vários padrões naturais de vibração, chamados de modos normais. Cada um desses modos tem uma frequência característica Ondas estacionárias em cordas O padrão mais simples é o que possui os nodos nas extremidades da corda e um antinodo no ponto central. Para esse modo normal, o comprimento da corda iguala λ/2 O modo normal seguinte, de comprimento de onda λ2, ocorre quando o comprimento de onda igual a um comprimento de onda. No geral, os comprimentos de onda dos vários modos normais podem ser expressos convenientemente como No geral, os comprimentos de onda dos vários modos normais podem ser expressos convenientemente como Frequência dos modos normais. Como v = (T/µ)1/2 , podemos expressar as frequências naturais de uma corda esticada como Ondas estacionárias em cordas Ondas estacionárias numa corda. Meia onda. Ondas estacionárias numa corda. Onda inteira. Ondas estacionárias numa corda. 1½ de onda. Ondas estacionárias longitudinais podem ser produzidas em uma coluna de ar, tal como em um tubo de órgão, como resultada interferência entre as ondas sonoras longitudinais se propagando em sentidos opostos. Se ocorrerá um nodo ou um antinodo na extremidade de uma coluna de ar vai depender se a extremidade estiver aberta ou fechada. Ondas estacionárias em colunas de ar Frequências naturais de vibração v = velocidade do som no ar. Ondas estacionárias longitudinais em uma coluna de ar aberta dos dois lados Frequências naturais de vibração v = velocidade do som no ar. Ondas estacionárias longitudinais em uma coluna de ar fechada em uma extremidade e aberta em outra. I-doser é um programa de computador que produz “doses” de ondas sonoras, que procura interferir nas ondas cerebrais do usuário, simulando o efeito de várias drogas reais em seres humanos. As "doses digitais" se baseiam na técnica de pulsações auriculares, ou seja, a emissão em cada ouvido de dois sons similares, mas nos quais a frequência difere, o que tem por efeito alterar as ondas cerebrais, explica à AFP a neuropsicóloga Brigitte Forgeot. http://migre.me/90tP7 I-doser é um programa de computador que produz “doses” de ondas sonoras, que procura interferir nas ondas cerebrais do usuário, simulando o efeito de várias drogas reais em seres humanos. Escutar Bob Marley deve ser mais eficiente Batimento Designamos por batimento ao fenômeno que acontece quando existe uma superposição entre duas fontes emissoras de ondas que produzam ondas que possuam a mesma direção, amplitude e freqüências próximas f1 e f2. Pelo fato das freqüências diferirem uma da outra, haverá momentos de interferência construtiva, onde a amplitude resultante será grande e momentos de interferência destrutiva, acarretando numa amplitude diminuta. http://www.youtube.com/watch?v=gQK21572oSU&feature=youtu.be Ressonância Duelo com o fantasma Visões estranhas atemorizam pesquisadores num laboratório inglês. Veja como um cientista de verdade enfrenta assombrações. por DenisRusso Burgierman Edição 133 outubro/1998 http://super.abril.com.br/cotidiano/duelo-fantasma-437673.shtml Ressonância 1) As cordas graves em um piano são mais longas e mais grossas do que as cordas agudas. Por quê? 3) Duas ondas propagando-se em sentidos opostos produzem uma onda estacionária. As funções de onda individuais são onde x e y estão em centímetros. (a) Encontre o deslocamento máximo de uma partícula do meio em x=2,3cm. (b) Encontre as posições dos nodos e dos antinodos. 2) Uma corda de 0,5m de comprimento está fixa nas duas extremidades, sob uma tensão de 18 N. Se a densidade linear da corda for de 2x10-2 kg/m, calcule: a) a velocidade de propagação do som na corda; b) a frequência da segunda harmônica nessa corda; c) a frequência fundamental. Exercício http://migre.me/8UJnA
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