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� � � �� �� �� �� � � �� �� ��� �� ��� ��� �� � � ENG 01156 – Mecânica - Aula 22 Prof Inácio Benvegnu Morsch – CEMACOM 231 22. APLICAÇÕES Apresenta-se a seguir um conjunto de problemas típicos de cálculo de velocidades e acelerações. Para resolver exercícios de cinemática é recomendável a aplicação do seguinte roteiro de trabalho: • Identificar os sólidos que formam o mecanismo; • Identificar o movimento de cada sólido. Compreender o funcionamento do mecanismo; • Adotar um sistema de referência; • Particularizar as equações )( ω !!! ×−+= POVV OP e ;. )()( 2 POPOaa op −+×−+= ωα !!! 1 ) A peça rígida ABC gira em torno do pino O com sradk /5 !! =ω . Determine DV ! para o instante em que o mecanismo apresenta a posição indicada na figura. Solução: O mecanismo é formado por três elementos: barra ABC, barra CD e êmbolo D. A barra ABC realiza um movimento de rotação em torno do ponto O , que é um mancal, tendo velocidade e aceleração nulas. O êmbolo realiza um movimento de translação, retilínea e alternada, na direção horizontal. Como o ponto D do êmbolo também pertence à barra CD, sabe-se que as velocidades destes dois corpos, em relação ao ponto D, devem ser iguais a fim de manter a compatibilidade. Estabelecendo-se o sistema de referência define-se as coordenadas dos pontos de interesse: )0,15( )0,40( )30,0( DCO O próximo passo é escrever a velocidade do ponto C em função da velocidade do ponto O. cm/s 200150 500 03040 )(0 ji kji COVVV COOC !! !!! !!!! += −=×−+=+= ω Esta resposta também pode ser apresentada sobre outras formas: scmVC /250200150 22 =+= º1,53 150 200 tan =→= θθ ou ( )cm/s 8,0;6,0250=CV! Definindo-se DV ! pode-se escrever DCC VV !!! +=DV BOA D θ Cv ! �� ����� ����� ����� A B C 25 3 0 20 40 O ω D (cm) C DCC DCV ω !!! ×−+= )(VD � � � �� �� �� �� � � �� �� ��� �� ��� ��� �� � � ENG 01156 – Mecânica - Aula 22 Prof Inácio Benvegnu Morsch – CEMACOM 232 25200150 00 0025200150V DC D jji kji ji DC !!! !!! !!! ω ω −+= ++= Na equação acima adotou-se DCω positivo já que o seu sentido é desconhecido. De acordo com a análise inicial do mecanismo sabe-se que iVV DD !! = , logo pode-se escrever 25200150 VD jjii DC !!!! ω−+= que resulta em duas equações escalares cm/s 150 VD = ou scmiVD / 150 !! = 8 025200 s rad DCDC =→=− ωω que também pode ser escrita em notação vetorial como sradk / 8DC !! =ω . 2 ) A roda movimenta-se com velocidade constante de 48 cm/s rolando sem deslizar. A barra AB mede 48 cm e está ligada a roda pelo pino B. Calcular AV ! para o instante representado sabendo que o raio de roda vale 12cm. Solução: O mecanismo é formado por uma roda e pela barra AB. A roda realiza um movimento plano geral. O ponto A da barra AB desloca-se, no instante de tempo considerado, na direção horizontal. O primeiro passo para a solução do problema é clacular a velocidade angular da roda. Como a roda rola sem deslizar, sabe-se que o ponto de contato da roda com o solo (ponto I ilustrado na figura acima) é o centro instantâneo de velocidade nula. Logo, tudo se passa, para fins de distribuição de velocidade, como se a roda realiza-se uma rotação em torno do ponto I. Logo, pode-se escrever sradRVC /412.48 =→=→= ωωω . O sentido de rotação da roda é horário, ou seja /4 sradk !! −=ω . O próximo passo é calcular a velocidade BV ! : cm/s 56,417256,412484 00 06-10,39- 48)(48V CD B jijii kji iDCiVV BCBCC !!!!! !!! !!!!!! −=−+= +=×−+=+= ω ω O próximo passo é calcular a velocidade AV ! : Neste caso, é importante definirmos as coordenadas dos pontos A e B em relação ao sistema de referência. B(10,39 ; 18). A distância x entre A e B é obtida a partir do triângulo ilustrado ao lado. )(56,4172VA ABABB ABjiVV ω !!!!!! ×−+−=+= ��������������� y scmivC /48 !! = x C B A 60 º I 30 º I A B 48 18 x � � � �� �� �� �� � � �� �� ��� �� ��� ��� �� � � ENG 01156 – Mecânica - Aula 22 Prof Inácio Benvegnu Morsch – CEMACOM 233 ( ) ( ) ji kji ji !! !!! !!! ABAB AB A 5,4456,411872 00 01844,5 56,4172V ωω ω −−++= +−= Conforme comentado no início da solução iVA !! =AV , logo pode-se escrever ( ) ( ) jiiVA !!!! ABABA 5,4456,411872V ωω −−++== , que resulta em duas equações escalares. rad/s94,005,4456,41 ABAB −=→=−− ωω ( ) cm/s1,5594,018721872 AB =−⋅+=→+= AA VV ω , que pode ser escrita em notação vetorial como cm/s1,55 iVA !! = 3) Os pontos A e B da barra deslocam-se sobre guias fixas. Num determinado instante smjVA /2 !! −= . Determine BV ! e CV ! neste instante. Solução: O mecanismo é formado pela barra ABC e por dois êmbolos A e B, os quais são forçados a se deslocarem sobre guias fixas. Por causa da ação destas guias tem-se smjVA /2 !! −= e iVV BB !! = . O primeiro passo para solução do problema é escrever )(2VB BABAA BAjVV ω !!!!! ×−+−=+= considerando-se que A(0 ; 0,141) e B(0,141 ; 0) tem-se +−= BA B 00 00,1410,141- 2V ω kji j !!! !! ou ( ) ( ) jiVB !!! 20,141141,00;V BABAB −+== ωω que resulta em duas equações escalares rad/s 18,14020,141 BABA =→=− ωω m/s 218,14141,00,141V BAB =⋅== ω m/s 2 iVB !! = O próximo passo é determinar CV ! . Para tal escreve-se )(2VC CACAA CAjVV ω !!!!! ×−+−=+= . Como os pontos A, B e C pertencem ao mesmo corpo tem-se BACA ωω !! = . Logo, como o ponto C é definido pelas coordenadas C(0,212 ; -0,707) pode-se escrever m/s 13332 18,1400 00,2120,212- 2VC jijij kji j !!!!! !!! !! −=++−= +−= Este resultado também pode ser escrito como ( )m/s 316,0;949,016,3VC −=! Outra forma interessante de resolver o mesmo problema é aplicar o conceito do centro instantâneo de velocidade nula (I). O primeiro passo na solução do problema é determinar a posição do ponto I, o que pode ser feito a partir da interseção de uma reta ortogonal à direção da velocidade AV ! e de outra reta ortogonal à direção da velocidade BV ! . Como tudo se passa, para fins de distribuição de velocidade, como se o corpo realiza-se um movimento de rotação em torno do ponto I, pode-se relacionar as velocidades dos pontos de interesse do corpo através da expressão �� �� �� �� �� �� �� �� ���� ���� ���� B A 2 m/s 45º C 0,2m 0,1m y x � � � �� �� �� �� � � �� �� ��� �� ��� ��� �� � � ENG 01156 – Mecânica - Aula 22 Prof Inácio Benvegnu Morsch – CEMACOM 234 CIC C CIB B CIA A r V r V r V ===ω A partir desta expressão pode-se escrever srad /14,14 º45cos.2,0 2 ==ω m/s 2º45sen2,0.14,14. =⋅== CiBB rV ω Como a direção e sentido de BV ! é conhecido pode-se escrever smiVB /2 !! = Para calcular a velocidade CV ! deve-se, em primeiro lugar, determinar a distância IC (o que poderia ser feito graficamente se o desenho fosse feito em escala), o que pode ser feito a partir do desenho ao lado. mrIC 22,0= smrV ICC /16,322,0.14,14. === ω O próximo passo é determinar a orientação da velocidade CV ! . º4,18 22,0 º45cos.1,0 arcsen = =θ Apresentou-se a solução do problema aplicando-se diretamente as equações de distribuição de velocidade e depois utilizando-se o conceitodo centro instantâneo de velocidade nula. Ambos os processos apresentam vantagens e desvantagens não podendo se indicar, de forma geral, qual é o melhor dos dois. No entanto, a combinação dos dois processos costuma tornar o processo de solução do problema um pouco mais simples. 4) A barra horizontal AB de 180 cm de comprimento está articulada no disco AO no ponto A. Sabendo-se que a distância entre o ponto A e o centro do disco, ponto O, é de 60 cm, que o disco tem uma velocidade angular constante sradk / 30 !! =ω , determine, para o instante representado na figura, .AV ! , BAω ! , BV ! e Aa ! . Solução: O mecanismo é formado pelo disco AO; que realiza uma rotação em torno do ponto O, o qual representa o mancal (tendo portando velocidade e aceleração nulas) e pela barra AB. É interessante observar, que no instante de tempo considerado, o ponto B desliza sobre a rampa. O primeiro passo na solução do problema é escrever a velocidade do ponto A. ω !!!! ×−=+= )( AOVVV AOOA Considerando-se as coordenadas O(0 ; 0) e A(30 ; 51,96) tem-se y 30º x ω 45º o BA ��� ��� ��� ��� ��� ��������� 45º Bv ! ω45º IAr ! IBr ! 0,2 Av ! I 45º A B C θ Cv ! I 45º IBr ! ICr ! θ º45cos1,0 º45sen1,0 � � � �� �� �� �� � � �� �� ��� �� ��� ��� �� � � ENG 01156 – Mecânica - Aula 22 Prof Inácio Benvegnu Morsch – CEMACOM 235 cm/s 9008,1558 3000 051,96-30- VA ji kji !! !!! ! +−= = Escrevendo-se a velocidade do ponto B tem-se ( ) ji kji jiBAVVVV BA BA BAABAAB !! !!! !!!!!!! ω ω ω 1809008,1558 00 00180- 9008,1558)( ++−= ++−=×−+=+= Como o ponto B deve escorregar pela rampa, esta representa, então, a trajetória de B. Como dt dS V = sabe-se que a velocidade é tangente a trajetória, logo pode-se escrever BxBy Bx By VV V V =→=°45tan ou ]707,0;707,0[ −−= BB VV ! Aplicando-se este resultado pode-se escrever sradBABA /66,13.1809008,1558 −=→+=− ωω O próximo passo é calcular a aceleração do ponto A. )()( 2 AOAOaa OA −+×−+= ωα !!! Como 0=Oa ! e 0=α tem-se 22 cm/s 4676427000)96,51;30(30 jiaA !!! −−=−−= Esta resposta também pode ser escrita na forma ( ) 2cm/s 866,0;5,08,53998 −−=Aa! 5) Determinar AV ! , BV ! , Aa ! e Ba ! para o instante em que o mecanismo passa pela posição indicada na figura sabendo-se que o disco gira em torno do ponto O com sradk /70 !! −=ω e 2 /10 sradk ! −=α . Solução: O mecanismo é formado pelo disco AO, que realiza uma rotação em torno do ponto O, o qual representa um mancal tendo, portanto, velocidade e aceleração nulas; pela barra AB que realiza um movimento plano geral e pela barra CB que realiza uma rotação em torno do ponto C, que também representa um mancal. O primeiro passo na solução do problema é definir as coordenadas dos pontos de interesse O(0 ; 0), A(0 ; 20), B(105 ; 20) e C(90 ; 0). O próximo passo é escrever a velocidade do ponto A. A O B C x y 90 15 2 0 (cm) � � � �� �� �� �� � � �� �� ��� �� ��� ��� �� � � ENG 01156 – Mecânica - Aula 22 Prof Inácio Benvegnu Morsch – CEMACOM 236 AOAOOA AOVVV ω !!!! ×−=+= )( Como os pontos O e A pertencem ao disco, logo DiscoAO ωω = . cm/s 1400 7000 020-0 VA i kji ! !!! ! = − = O próximo passo é definir a velocidade do ponto B. ji kji iBAiVVV BA BA BABAAB !! !!! !!!!!! ω ω ω 1051400 00 00105- 1400)(1400 += +=×−+=+= (1) Como se pode notar, não há nenhuma condição de contorno, semelhante às aplicadas nos exercícios anteriores, que possa ser aplicada ao ponto B de modo a se definir a sua velocidade. Neste caso, deve-se aplicar uma condição de compatibilidade entre as barras AB e BC para que o mecanismo não se rompa. Mais especificamente, a velocidade absoluta do ponto B, que pertence à ambas as barras, deve ser igual fazendo o cálculo em relação ao ponto A ou em relação ao ponto C. Logo, ji kji BCVVV BCBC BC BCBCCB !! !!! !!!! ωω ω ω 1520 00 020-15- )( +−= =×−=+= (2) Igualando-se as expressões (1) e (2) obtém-se jiji BCBCBA !!!! ωωω 15201051400 +−=+ , que resulta em duas equações escalares. rad/s 70201400 −=→−= BCBC ωω e ( ) rad/s 10 105 7015 15105 −= −⋅ =→= BABCBA ωωω Para se definir BV ! pode-se usar a expressão (1) ou (2), como por exemplo ( ) cm/s 10501400101051400 jijiVB !!!!! −=−⋅+= que também pode ser escrita como ( )cm/s 6,0;8,01750 −=BV! O próximo passo é definir a aceleração do ponto A. 222 cm/s 98000200)20()70( 10-00 020-0 kji 0)()( jijAOAOaa OA !!! !!! !!! −=−−+ +=−+×−+= ωα Para se definir a aceleração do ponto B escreve-se )i105()10( 00 00105- kji 98000200)()( 2 BA 2 ! !!! !!!!! −−+ +−=−+×−+= α ωα jiBABAaa BABAAB ( ) j9800105i-10300i10500 j10598000200 BABA !!!!!!! −+=−++−= ααjiaB (3) Aplicando o mesmo procedimento usado no cálculo das velocidades tem-se )j20-i-15()70( 00 020-15- kji 0)()( 2 BC 2 !! !!! !!! −+ +=−+×−+= α ωα BCBCaa BCBCCB j98000-i 735001520 !!!!! −+−= jia BCBCB αα (4) � � � �� �� �� �� � � �� �� ��� �� ��� ��� �� � � ENG 01156 – Mecânica - Aula 22 Prof Inácio Benvegnu Morsch – CEMACOM 237 Igualando-se as expressões (3) e (4) obtém-se ( ) j98000-i 735001520j9800105i10300- BA !!!!!! −+−=−+ ji BCBC ααα , que resulta em duas equações escalares 2 rad/s 3160 735002010300- =→−−= BCBC αα 2 BABA rad/s 57,388105 316015980098000 j98000-159800105 −= ⋅++− =→=− ααα ! BC Logo, a aceleração do ponto B resulta em ( )[ ] 2cm/s j50600-i-10300j980057,388105i-10300 !!!!! =−−⋅+=Ba 6) Determinar a posição do centro instantâneo de aceleração nula de uma roda que rola sem deslizar com velocidade angular ω e aceleração angular α, ambas com sentido horário. Solução: Como a roda rola sem deslizar, sabe-se que rVC ω= e raC α= . Considerando que o raio da roda vale r , aplicando-se diretamente a expressão (21.37) e fazendo-se nesta o ponto C como ponto O, tem-se ( ) ( ) ( ) ( )[ ]( ) ( )42 2 ;0 ωα ααωα −+− −×−−⋅ =−− kirir ryx KK !!! , que resulta em ( ) 42 22 ; ωα ααω + − =− jrir ryx KK !! , logo as coordenadas do centro instantâneo de aceleração nula resultam em 42 2 ωα αω + = r xK e 42 4 42 2 ωα ω ωα α + = + −= rr ryK Caso a aceleração angular da roda fosse nula, teria-se 0=Kx e ryK = , o que está correto, já que neste caso apenas atua a aceleração centrípeta. 22.1 EXERCÍCIOS COM ENGRENAMENTOS Nos exercícios apresentados a seguir as engrenagens são representadas por desenhos simbólicos cujo significado básico está ilustrado na Fig. (22.1). C I x y α ω � � � �� �� �� �� � � �� �� ��� �� ��� ��� �� � � ENG 01156 – Mecânica - Aula 22 Prof Inácio Benvegnu Morsch – CEMACOM 238 Fig. (22.1) – Representação simbólica de uma engrenagem. 7) A engrenagem A tem velocidade angular constante rpm 60 kA !! −=ω , e a velocidade angular do braço AB vale rpm 40 kBA !! =ω . Com estes dados determine a velocidade angular da engrenagem B. Solução: O mecanismo é formado por duas engrenagens e por uma barra AB. A engrenagem A está presaa um eixo, que é sustentado pelo mancal A. Esta engrenagem realiza, portanto um movimento de rotação em torno do mancal A. A barra AB também está articulada ao mancal A, logo o movimento que a barra AB realiza também é uma rotação em torno de A. A engrenagem B é articulada na barra AB, e realiza um movimento roto- translatório. Em outras palavras, a engrenagem B rola sem deslizar sobre a engrenagem A. O primeiro passo na solução do problema é calcular a velocidade do ponto B da barra AB, o que pode ser feito escrevendo-se j kji BAVVV BA BA BABAAB ! !!! !!!! ω ω ω 250 00 00250- )(0 = =×−+=+= O próximo passo é calcular a velocidade do ponto C pertencente à engrenagem A. Raio de base Na posição do raio de base ocorre o engrenamento entre as engrenagens. R 150 mm R 100 mm A B Ponto de contato entre os dois raios de base das engrenagens. C y x � � � �� �� �� �� � � �� �� ��� �� ��� ��� �� � � ENG 01156 – Mecânica - Aula 22 Prof Inácio Benvegnu Morsch – CEMACOM 239 j kji CAVVV A A ACAACA ! !!! !!!! ω ω ω 150 00 00150- 0 = =×−+=+= )( Calculando-se a velocidade do ponto C pertencente à engrenagem B tem-se ( ) j kji jCBjVVV BBA B BABBACBBCB ! !!! !!!!!! ωω ω ωωω 100250 00 00100 250250 −= +=×−+=+= )( Considerando-se que a transmissão de movimento entre as engrenagens ocorre sem deslizamento tem-se que a velocidade do ponto C deve ser a mesma em ambas as engrenagens, ou seja CCC VVV AB !!! == , logo ( ) jj BBAA !! ωωω 100250150 −= , que escrita escalarmente resulta em 100 250150 BAA B ωω ω +− = (1) Substituindo-se as velocidades angulares dadas obtém-se ( ) rpm 190 100 4025060150 = ⋅+−⋅− =Bω ou rpm k 190 !! =Bω Caso a velocidade angular da barra AB tivesse o sentido de giro horário, ou seja rpm 40kBA !! −=ω , a solução fica ( ) ( ) rpm 10 100 4025060150 −= −⋅+−⋅− =Bω 8) No sistema de engrenagens planetárias ilustrado, as engrenagens A, B, C e D têm o mesmo raio r, e o raio da engrenagem interna E vale 3r. Sabendo que a velocidade angular da engrenagem A vale rpm 100 kA !! −=ω e que a engrenagem externa está parada, determine a velocidade angular de cada engrenagem planetária e a velocidade angular do suporte de conexão das três engrenagens planetárias. Solução: O sistema de engrenagens planetárias é formado por quatro engrenagens externas de mesmo diâmetro e por uma engrenagem interna E. A engrenagem A realiza um movimento de rotação em torno do ponto A, que permanece em repouso. Por outro lado as engrenagens B, C e D realizam um movimento roto-translatório em A B C D E F G x y � � � �� �� �� �� � � �� �� ��� �� ��� ��� �� � � ENG 01156 – Mecânica - Aula 22 Prof Inácio Benvegnu Morsch – CEMACOM 240 relação ao ponto A. Em outras palavras, estas engrenagens rolam sobre a engrenagem A e também sobre a engrenagem externa E. O primeiro passo na solução do problema é definir a velocidade de cada um dos centros das engrenagens planetárias. Como as cotas são as mesmas nas 3 direções, nas quais estão montadas as engrenagens planetárias, vai-se trabalhar com a engrenagem D. ir kji DAVVV DA DA DADAAD ! !!! !!!! ω ω ω 2 00 0r2-0 )(0 −= =×−+=+= (1) Considerando que o ponto F representa o contato entre as engrenagens A e D, pode-se afirmar que a velocidade neste ponto é igual em ambas as engrenagens, já que o movimento é transmitido sem deslizamento. Logo, pode-se calcular a velocidade do ponto F da roda A como ir kji FAVVV A A AFAAAF ! !!! !!!! ω ω ω −= =×−+=+= 00 0r-0 )(0)( (2) Para definir a velocidade do ponto F da roda D deve-se usar o ponto D como referência, logo pode-se escrever ( ) ir kji irFDirVVV DDA D DADDAFDDDF ! !!! !!!!!! ωω ω ωωω +−= +−=×−+−=+= 2 00 0r0 2)(2)( (3) Como não há deslizamento tem-se )()( DFAF VV !! = , ou seja ( ) DDAADDAA irir ωωωωωω +−=−→+−=− 22 !! (4) Como a engrenagem D rola sobre a engrenagem interna E, que está parada, tem-se que o ponto de contato G entre as duas engrenagens é o centro instantâneo de velocidade nula da engrenagem D, logo ir kji DGVVV D D DDGGD ! !!! !!!! ω ω ω = =×−+=+= 00 0r0 )(0 (5) Igualando-se as expressões (1) e (5) fica DADDDA irir ωωωω 22 −=→=− !! (6) Substituindo-se (6) em (4) tem-se rpm 25 4 100 4 22 ===→−−=− ADADADAA ω ωωωω e rpm 50 2 100 2 −=−=−= A D ω ω � � � �� �� �� �� � � �� �� ��� �� ��� ��� �� � � ENG 01156 – Mecânica - Aula 22 Prof Inácio Benvegnu Morsch – CEMACOM 241 22.2 ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE OS PROBLEMAS ANALISADOS De modo geral, os erros mais comuns na solução de problemas de cinemática são • Comparar velocidades de pontos que não pertencem ao mesmo corpo rígido. Considerando a Fig. (22.2) é errado escrever CAAC VVV !!! += , já que os pontos C e A não pertencem ao mesmo corpo. O correto é escrever BAAB VVV !!! += e depois CBBC VVV !!! += ; • Figura (22.2) – Mecanismo de 3 barras. • Aplicar uma velocidade angular que não corresponde ao corpo analisado. Considerando a Fig.(22.2), por exemplo, é errado escrever ( ) BABC CBVV ω×−+= !! . O correto é escrever ( ) CBBC CBVV ω×−+= !! ; • Considerando que a velocidade angular BAω , da barra AB do mecanismo de 3 barras ilustrado na Fig. (22.2), seja constante, ou seja 0=BAα , é errado dizer que 0=CBα e 0=CDα . Este resultado até pode ser obtido, mas deve ser demonstrado por cálculo. A única situação que se pode afirmar que sendo 0=BAα , então necessariamente 0=CDα está ilustrada na Fig. (22.3). Nota-se que as barras AB e DC têm o mesmo comprimento, os pontos A e D têm a mesma cota vertical e as barras AB e DC têm o mesmo ângulo com a horizontal. Figura (22.3) - A B C D ωBA A B C D ωBA h α α � � � �� �� �� �� � � �� �� ��� �� ��� ��� �� � � ENG 01156 – Mecânica - Aula 22 Prof Inácio Benvegnu Morsch – CEMACOM 242 ENG 1156 – MECÂNICA – TRABALHO 9 – TERCEIRA ÁREA Os trabalhos devem ser desenvolvidos em folha A4 branca a caneta e sem rasuras, ou podem ser desenvolvidos em editor de texto. Neste caso, o trabalho pode ser entregue em arquivo (formato .rtf, pdf ou .doc) ou impresso em folha A4 branca. Trabalhos fora destas condições não serão avaliados. 1) Na figura ao lado, a barra AB tem k !! 3=ω rad/s constante. Determine para a posição indicada na figura as velocidades e acelerações dos pontos B e C. 2) Cortam-se duas fendas na placa FG de modo que esta se encaixe em dois pinos fixos A e B como ilustra a figura. Sabendo que, na configuração mostrada, a velocidade angular da manivela CD é de 8 rad/s no sentido horário, determine as velocidades dos pontos E e F, bem como a velocidade angular da chapa e a posição do centro instantâneo de velocidade nula desta. 30 0 320 16 0 6 0 A B C D (mm) A B C D E F 2 0 3 1 5 2 1 7 8 1 0 2 152 457 203 91 60o
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