elementos de maquinas, Notas de estudo de Engenharia de Manutenção

Baixe elementos de maquinas e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia de Manutenção, somente na Docsity! CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE SANTA CATARINA GERÊNCIA EDUCACIONAL DE METAL MECÂNICA CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA PARTE I - RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS Profa. Eng. Mec. Daniela A. Bento Prof. Eng. Mec. Norberto Moro Téc. Mec. André Paegle Auras FLORIANÓPOLIS - 2007 2 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO..................................................................................................5 2. FORÇAS EXTERNAS ......................................................................................6 3. ESFORÇOS INTERNOS................................................................................19 4. DIMENSIONAMENTO....................................................................................29 5. CENTRO DE GRAVIDADE ............................................................................31 6. TRAÇÃO E COMPRESSÃO ..........................................................................33 7. FLEXÃO..........................................................................................................41 8. CISALHAMENTO ...........................................................................................51 9. TORÇÃO ........................................................................................................60 10. CONCENTRAÇÃO DE TENSÕES NA TRAÇÃO........................................62 11. TABELAS......................................................................................................71 12. RESPOSTAS DOS EXERCÍCIOS ...............................................................95 13. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA..................................................................98 5 1. INTRODUÇÃO Mecânica é a ciência física que estuda os estados de repouso e movimento dos corpos sob a ação de forças. Todo campo da Engenharia depende dos princípios básicos da mecânica. É dividida em: 1. Estática: Estuda o equilíbrio das forças que atuam num corpo em repouso; 2. Dinâmica: Estuda o movimento dos corpos em relação às causas que o produzem. O que é Resistência dos Materiais? É o estudo sobre a capacidade que os materiais têm para resistir a certos tipos de forças externas que causam esforços internos em função do tipo de material, dimensões, processo de fabricação, entre outros. Esta disciplina usa a estática para considerar os efeitos externos (forças), e a partir de então considerar os efeitos internos (esforços). O objetivo desta primeira parte da disciplina de Elementos de Máquinas é conhecer as diferentes solicitações mecânicas (esforços internos causados por forças externas) para definir o melhor tipo de dimensionamento e material. Porque estudar Resistência dos Materiais? Por um lado, esse estudo evita que peças de máquinas estejam sub-dimensionadas, ou seja, possuam uma dimensão insuficiente em relação às forças que nela atuam e que provocará quebras. Por outro lado, evita o super-dimensionamento, ou seja, evita gasto excessivo com material quando não é necessário, influenciando diretamente no custo final dos produtos e tornando-os inviáveis (caro em relação aos demais concorrentes). 6 2. FORÇAS EXTERNAS Força Força é toda causa capaz de produzir ou modificar movimento. Toda força tem um ponto (local) de aplicação, direção (reta de ação), intensidade (grandeza) e sentido (para um dos dois lados de direção). Como não é algo material, mas imaginativo, a força foi representada graficamente por vetores (flechas). Dessa forma, é possível representar num papel cada elemento da força: 1. Ponto de aplicação – início do vetor; 2. Direção – posição da reta do vetor (ex.: norte-sul); 3. Intensidade – dimensão do vetor; 4. Sentido – fim do vetor, flecha (ex.: norte). A força pode estar concentrada, tendo um ponto de aplicação, ou distribuída, como a força da água contra uma barragem. No caso de força concentrada, a unidade é expressa em Newtons [N]. No caso de força distribuída, é expressa em Newtons por comprimento (metro, centímetro, milímetro) [N/m; N/cm; N/mm]. Na verdade, toda força é distribuída, mas quando esta força distribuída atua numa área considerada desprezível, podemos idealizar um vetor único, que na maioria dos casos nos traz resultados precisos. Sistema de Forças Quando duas ou mais forças estão agindo sobre um corpo, temos um sistema de forças, sendo cada vetor chamado de componente. Todo sistema de forças, que atuam num mesmo plano, pode ser substituído por uma única força chamada resultante, que produz o mesmo efeito das componentes. Para se obter a resultante, basta somar as forças, que devem estar na mesma direção. Para determinar qual vetor é positivo ou negativo, existe uma convenção, adotando-se que na direção x, o vetor com sentido para direita é positivo, e na direção y, o vetor com sentido para cima é positivo. Plano X (+) Plano Y (+) 7 EXEMPLO 2.1 Calcular a resultante das forças F1 = 50 N, F2 = 80 e F3 = 70 N aplicadas no bloco abaixo: Caso os vetores não estejam na mesma direção, ou seja, formando ângulo com as linhas x e y, devemos decompor o vetor em duas forças: a força x e a força y. Para isso, usaremos as fórmulas da trigonometria. EXEMPLO 2.2 Sendo dada uma força F num plano “xy”, é possível decompô-la em duas outras forças Fx e Fy, como no exemplo abaixo: Da trigonometria sabemos que: sen = cateto oposto / hipotenusa e cos = cateto adjacente / hipotenusa então, para o exemplo acima, temos: sen = Fy / F e cos = Fx / F EXEMPLO 2.3 Calcular as componentes horizontal e vertical da força de 200 N aplicada na viga conforme figura abaixo: 10 Como um corpo estável em repouso está em equilíbrio, as forças que atuam sobre ele satisfazem as equações de equilíbrio (soma das forças = 0). Assim, se as forças que agem sobre o corpo satisfazem as condições de equilíbrio estático e todas atuam sobre ele, o esquema representa o diagrama do corpo livre. Em seguida, para a determinação das forças internas decorrentes das externas, deve-se traçar uma seção qualquer separando o corpo em partes. Se o corpo está em equilíbrio, qualquer parte dele também estará em equilíbrio. Então a seção do corte do corpo terá forças de reação para produzir equilíbrio. Portanto, as forças externas aplicadas a um lado de um corte devem ser compensadas pelas forças internas, tornando as forças nulas. 11 EXEMPLO 2.5 Calcular as reações às forças que atuam no corpo abaixo em cada seção. a) O primeiro passo é desenhar no diagrama de corpo livre os cortes, que devem ser localizados nas seções em que existam variação de forças. Depois disso, devemos desenhar diagrama de corpo livre para cada corte, incluindo as reações. b) Devemos calcular as reações a partir da equação de equilíbrio: Fy = 0 Reação 1 Fy = 0 Reação 1 + 40 – 20 – 80 = 0 Reação 1 = 60 N Reação 2 Fy = 0 Reação 2 – 20 – 80 = 0 Reação 2 = 100 N Reação 3 Fy = 0 Reação 3 – 80 = 0 Reação 3 = 80 N ATENÇÃO: Se alguma reação der negativa, então o sentido do vetor está invertido. No caso acima temos exemplo de tração, mas se houvesse alguma reação negativa, teríamos compressão. 12 c) Traçar o diagrama de forças serve para que percebamos a intensidade das forças de forma visual: Aplicando o método das seções acima, pudemos descobrir qual seção possui maior força interna atuante. Isso será especialmente útil quando tratarmos de dimensionamento. Momento Estático Momento (M) é o resultado de uma força F que age num dado ponto P estando numa distância d. O momento em P é dado por F vezes d, sendo que a força que causa momento sempre estará a 90° em relação da distância. Na figura abaixo temos um momento causado pela componente y de F: O momento é representado graficamente por um semi-círculo ao redor do ponto em que se tem momento, e com uma flecha apontando o sentido, que depende do sentido da força que causa o momento. Para a condição de 15 2.2 Calcule as forças de reação nas seções dos objetos abaixo, desenhando o diagrama de forças. a) b) 16 2.3 Classifique o tipo de alavanca e calcule a força necessária para mantê-las em equilíbrio: a) b) c) 17 d) 2.4 Um grifo é utilizado para rosquear um tubo de d = 20mm a uma luva como mostra a figura. Determinar a intensidade da força F exercida pelo grifo no tubo, quando a força de aperto aplicada for 40N. 20 Tensão Normal É determinada através da relação entre a intensidade da carga aplicada F e a área de seção transversal da peça. Isso quer dizer que em cada pequena parte de uma área da seção de uma peça atua uma carga F. No Sistema Internacional (SI), a força é expressa em Newtons e a área em metros quadrados (m²). A tensão então será expressa em N/m², que é denominada Pascal (Pa). Mas na prática é uma medida muito pequena para tensão, então, usa-se múltiplos desta unidade, que são o quilopascal (kPa), megapascal (MPa) e o gigapascal (GPa). 1 Pa 1 N/m² 1 MPa* 1 N/mm² 1 GPa 1 kN/mm² ou 1000 N/mm² 1GPa 10³ MPa ou 1000 MPa * O MPa será a unidade “padrão”, sendo a mais utilizada. EXEMPLO 3.1 Uma barra de seção circular com 50 mm de diâmetro é tracionada por uma carga normal de 36 kN. Determine a tensão normal atuante na barra. a) Força normal: F = 36kN = 36000N b) Área de secção circular: A = . ز = 1963,5 mm² 4 c) Tensão normal: = F = 18,33 Mpa A 21 Obs.: Isso quer dizer que em cada mm² da seção transversal da peça, atua 18,33 N. Diagrama Tensão x Deformação Em Resistência dos Materiais, é necessário conhecer o comportamento dos materiais quando submetidos a carregamentos. Para obtermos estas informações, é feito um ensaio de tração numa amostra do material chamada corpo de prova (CP). São medidas a área de seção transversal “A” do CP e a distância “Lo” entre dois pontos marcados neste. O CP é submetido a uma carga norma “F”. A medida que este carregamento aumenta, pode ser observado um aumento na distância entre os pontos marcados e uma redução na área de seção transversal, até a ruptura do material. A partir da medição da variação destas grandezas, feita pela máquina de ensaio, é obtido o diagrama de tensão ( ) x deformação ( ). O diagrama x varia muito de material para material, e ainda, para um mesmo material podem ocorrer resultados diferentes devido à variação de temperatura do corpo de prova e da velocidade da carga aplicada. Entre os diagramas x de vários grupos de materiais é possível distinguir características comuns que nos levam a dividir os materiais em duas importantes categorias: os materiais dúcteis e os frágeis. (a) Material dúctil e (b) Material Frágil Os materiais dúcteis como aço, cobre, alumínio e outros, são caracterizados por apresentarem escoamento a temperaturas normais. O corpo de prova é submetido a carregamento crescente, e com isso seu comprimento aumenta, de forma lenta e proporcional ao carregamento. Desse modo, a parte inicial do diagrama é uma linha reta com grande coeficiente angular. 22 Entretanto, quando é atingido um valor crítico de tensão ( e - tensão de escoamento), o corpo de prova sofre uma grande deformação com pouco aumento de carga aplicada. A deformação longitudinal de um material é definido como: = Lf – Lo x 100 [%] Lo onde: - deformação [%] Lo - comprimento inicial do CP [mm, cm, ...] Lf - comprimento final do CP [mm, cm, ...] Quando o carregamento atinge um valor máximo ( R - tensão limite de resistência), o diâmetro do CP começa a diminuir, devido a perda de resistência local. Esse fenômeno é conhecido como estricção: = Ao – Af x 100 [%] Ao onde: - estricção [%] Ao - área da seção transversal inicial [mm, cm, ...] Af - área da seção transversal final [mm, cm, ...] Após ter começado a estricção, um carregamento mais baixo ( r - tensão de ruptura) é suficiente para a deformação e rompimento do corpo de prova. Em materiais frágeis a R é igual à r, sendo que ocorre muita pouca deformação até a ruptura (ex.: ferro fundido, vidro e pedra). Diagrama x de um aço com baixo teor de Carbono e CP: estricção e ruptura 25 EXEMPLO 3.2 Uma barra de alumínio possui uma seção transversal quadrada com 60 mm de lado, o seu comprimento é de 0,8 m. A carga axial aplicada na barra é de 30 kN. Determine o seu alongamento. E al = 0,7 x 10³ MPa. a) Força normal: F = 30 kN = 30000N b) Comprimento inicial da barra: L = 0,8 m = 800 mm c) Área de secção quadrada: A = L² = 60² = 3600 mm² d) Alongamento: L = 30000 . 800 / 3600 . 70 x 10³ L = 0,0952 mm L = 9,52 x 10-² mm Obs.: Preste muita atenção nas unidades. Antes de jogar os valores na fórmula, deve-se corverter tudo em uma unidade comum. 26 EXERCÍCIOS 3.1 No dispositivo abaixo, calcular a tensão normal atuante no parafuso. (Considerar para os exercícios 1 kg = 10 N). 3.2 A peça abaixo foi submetida ao ensaio de compressão e sofreu rupturas com a carga de 32 t. Calcular a tensão de ruptura à compressão do material. 3.3 Calcular o encurtamento dos pés da mesa na figura. Material: aço ABNT 1020 (Verificar E do material na tabela 10.1 no fim da apostila). 27 3.4 Determinar a tensão atuante na corrente que sustenta a estrutura indicada (Diâmetro do elo = 15 mm). 3.5 Determinar a tensão na barra de sustentação A da estrutura abaixo, considerando que sua seção transversal é: a) circular (d = 20 mm); b) circular vazada (d = 20 mm, esp = 4 mm); c) Perfil T (40 x 20 mm, esp = 5 mm). 30 Há casos em que a tensão admissível pode estar acima da tensão de proporcionalidade, dentro da região de deformação plástica. Isso se dá ao fato da necessidade de redução de peso, como na indústria de foguetes espaciais, mísseis, etc. Esse caso específico é possível devido a grande precisão de cálculos e conhecimento das tensões de trabalho. Mas o fato é que isso representa uma pequena minoria. A tensão admissível será calculada pela divisão da tensão de escoamento ou ruptura (depende do tipo de material) pelo coeficiente de segurança (Sg). Materiais Dúcteis - adm = e / Sg Materiais Frágeis - adm = r / Sg Coeficiente de Segurança (Sg) Este coeficiente é de extrema importância, já que faz o equilíbrio entre segurança e economia. As especificações para Sg de diversos materiais e para tipos diferentes de carregamentos em vários tipos de estruturas são dados pelas Normas Técnicas da ABNT. Na prática, a fixação do coeficiente é feita nas normas de cálculo e baseado no critério e experiência do projetista. Os fatores a serem considerados para a determinação do Sg são: a) Material a ser aplicado; b) Tipo de carregamento; c) Freqüência de carregamento; d) Ambiente de atuação; e) Grau de importância do membro projetado. Para calcular o Sg basta multiplicar entre si o valor de cada fator. No fim da apostila, na tabela 10.2, há valores de cada fator para alguns casos. A tabela abaixo dá uma idéia sobre a influência do conhecimento dos fatores no valor do Sg: Coeficiente Carregamento Tensão no material Propriedades do material Ambiente 1,2 - 1,5 Exatamente conhecido Exatamente conhecida Exatamente conhecidas Totalmente sob controle 1,5 - 2,0 Bem conhecido Bem conhecida Exatamente conhecidas Estável 2,0 - 2,5 Bem conhecido Bem conhecida Razoavelmente conhecidas Normal 2,5 - 3,0 Razoavelmente conhecido Razoavelmente conhecida Ensaiadas aleatoriamente Normal 3,0 - 4,0 Razoavelmente conhecido Razoavelmente conhecida Não ensaiadas Normal 4,0 - 5,0 Pouco conhecido Pouco conhecida Não ensaiadas Variável 31 5. CENTRO DE GRAVIDADE O Centro de Gravidade (CG) é um ponto da peça que é considerado a localização central de massa. Se cortarmos uma peça x de forma que obtemos um perfil geométrico, podemos inserir um parafuso no CG do perfil e prender uma linha no parafuso. Segurando essa linha, perceberemos que o perfil formará um ângulo perfeito de 90° com a superfície da terra. Tem sua importância para considerar o peso da peça, aonde será inserido um vetor com seu peso. Além disso, é utilizado para o cálculo de flexão em perfis não tabelados. A localização do CG é feita através de coordenadas cartesianas (x-y). Em muitas formas geométricas, o CG é facilmente conhecido, como quadrado, retângulo e círculo (o CG está exatamente no meio da figura). Mas existem muitos perfis que exige equações para descobrir o CG. Basta traçar um plano cartesiano e dividir a figura em pequenas formas geométrica cujo CG é conhecido. Então, utiliza-se a seguinte fórmula: A1 . x1 + A2 . x2 + A3 . x3 + .... x = A1 + A2 + A3 + ..... A1 . y1 + A2 . y2 + A3 . y3 + .... y = A1 + A2 + A3 + ..... 32 EXEMPLO 5.1 Determinar o CG da figura geométrica abaixo, sendo o retângulo 1 = 100x200 mm, e o retângulo 2 = 300x150 mm. a) Área de 1 = 100 . 200 = 20000 mm²; Área de 2 = 300 . 100 = 30000 mm²; b) x1 = (300/2) - (100/2) = 100 mm; x2 = 300/2 = 150 mm; c) y1 = 150 + (200/2) = 250 mm; y2 = 150/2 = 75 mm; d) x = (20000 . 100 + 30000 . 150) / (20000 + 30000) = 108,3 mm e) y = (20000 . 150 + 30000 . 75) / (20000 + 30000) = 105 mm CG x = 108,3 mm y = 105 mm 35 6.2.4 Calcular as dimensões das seções AA e BB da haste de ferro fundido cinzendo ASTM 20 apresentada abaixo, na qual será aplicado uma carga de tração equivalente a 50 kN. Considere a = b/2, d = a/2, c = 4.a e Sg = 2. 36 6.2.5 No dispositivo apresentado na figura abaixo, a porca exerce uma carga de aperto equivalente a 20 kN, provocando tração no parafuso de aço ABNT 1030 LQ e compressão na bucha de aço 1010 LQ. Usando um Sg= 2, determine os diâmetros do, d e D. Altura da rosca = 1,5 mm. Folga parafuso/bucha 1,0 mm. 6.3 EXERCICIOS RESOLVIDOS. 6.3.1 – O suporte vertical ABC desliza livremente sobre o eixo AB, porém é mantido na posição da figura através de um colar preso no eixo. Desprezando o atrito, determinar as reações em A e B, quando estiver sendo aplicada no ponto C do suporte, uma carga de 5kN. 37 6.3.2 – A figura a seguir representa uma junta rebitada, composta por rebites de diâmetros iguais. Determinar as forças atuantes nos rebites. Como os diâmetros dos rebites são iguais, na vertical as cargas serão iguais: O rebite B, por estar na posição intermediária, não possui reação na horizontal. O rebite A está sendo “puxado” para a direita, portanto possuirá uma reação horizontal para a esquerda. O rebite C, ao contrario de A, esta sendo “empurrado” para a esquerda, portanto possuirá reação horizontal para a direita. 6.3.3 – O guindaste da figura foi projetado para 5 kN. Determinar a força atuante na haste do cilindro e a reação na articulação A. 40 Flambagem por Compressão No dimensionamento de uma barra/coluna em compressão, não basta o cálculo de tensão. Uma falha que pode ocorrer é a flambagem, aonde uma barra recebe um carregamento e deflete lateralmente, levando a viga a falhar por tensão de flexão. Quando uma grande ponte rompeu algumas décadas atrás, os peritos descobriram que a falha foi causada pela flambagem de uma placa de aço fina que dobrou sob tensões de compressão. Após o dimensionamento pela tensão de compressão, deve ser verificada a flambagem. Ela está diretamente ligada ao comprimento do elemento. Quanto maior seu comprimento, menor será o valor da carga crítica (carga a partir do qual o elemento corre o risco de flambar). Como é um assunto que demanda algum tempo, estamos apenas mencionando, já que há temas mais importantes para estudar. 41 7. FLEXÃO Definimos como flexão o esforço que provoca ou tende a provocar curvatura nas peças. O esforço solicitante responsável por este comportamento é chamado de momento fletor, podendo ou não ser acompanhado de esforço cortante e força normal. A flexão é provavelmente o tipo mais comum de solicitação produzida em componentes de máquinas, os quais atuam como vigas (estrutura linear assentada em um ou mais apoios e que suporta carregamentos normais). Exemplos são engrenagens e chassi de um veículo. Uma flexão é considerada simples quando a carga(s) aplicada(s) é perpendicular ao eixo da viga, e composta quando não perpendicular. Nesse caso, a carga deve ser decomposta em duas componentes Fx e Fy. Hipóteses Os modelos de flexão utilizados aqui são considerados a partir de algumas hipóteses, que são simplificações para nossos projetos mecânicos: SOBRE O CORPO SÓLIDO i. O material é considerado homogêneo e isotrópico; ii. A viga admite um plano de simetria; iii. O corpo é formado por um conjunto de fibras unidas entre si e paralelas ao plano longitudinal; SOBRE AS FORÇAS iv. As forças atuam no plano de simetria; v. As forças atuantes são perpendiculares ao eixo, portanto trata-se de um problema de flexão simples; SOBRE AS DEFORMAÇÕES vi. Os sólidos sob flexão são elásticos longitudinalmente e rígidos transversalmente (conhecida como hipótese de Bernoulli); 42 vii. Sob a ação de cargas de flexão, algumas fibras longitudinais que compõem o corpo sólido são submetidos à tração e outras à compressão, existindo uma superfície intermediária onde a deformação ( ) e a tensão ( ) para as fibras nela cintidas tornam-se nulas, isto é, não se encurtam e nem se alongam. Esta superfície é chamada de superfície neutra (passa pelo centro de gravidade da seção). A superfície neutra intercepta uma dada seção transversal da barra segundo uma reta chamada linha neutra. Assim, quando mais afastado da linha neutra, maior será a tração/compressão (conhecida como hipótese de Navier); 45 Resultante e cálculo das reações nos apoios Tensão de Flexão A tensão de flexão é calculada a partir do máximo momento fletor que atua no corpo, da maior distância a partir da linha neutra e do momento de inércia do perfil. É expressa pela seguinte fórmula: Mf . y’ = I Onde, Mf = momento fletor máximo que atua no corpo; y' = maior distância da fibra neutra; I = momento de inércia do perfil. O momento de inércia é uma característica geométrica que fornece uma noção da resistência da peça. Quanto maior for o momento de inércia da seção transversal de uma peça, maior será sua resistência. A tensão assume seu valor máximo na superfície mais distante da linha neutra, ou seja, no maior valor de “y’”. O momento de inércia (“J” ou “I”) dependerá de onde a força será aplicada (eixo x ou y em relação ao perfil). Essa relação de momento de inércia e a maior distância da linha neutra é chamado de módulo de flexão (W): I Wf = y' Então, substituindo a equação, temos a fórmula da flexão: Mf F = Wf 46 EXEMPLO 6.1 Determinar o módulo de flexão para uma barra de seção retangular sendo: a) 3x8 cm; b) 8x3 cm. Como o Wf para seção retangular é b.h²/6, teremos dois valores distintos para o módulo de flexão: a) Wf = 3. 8² / 6 = 32 mm³ b) Wf = 8 . 3² / 6 = 12 mm³ (a) (b) Portanto, mesmo possuindo a mesma área de perfil, a posição de carregamento influenciou, de forma que a posição “a” é três vezes mais resistente que a posição “b”. EXEMPLO 6.2 Selecione um perfil estrutural tipo “I” (Aço ABNT 1020 LQ) para ser utilizado na ponte rolante ilustrada abaixo, com comprimento equivalente a 7 metros e que deverá suportar uma carga máxima equivalente a 1 toneladas. Para o dimensionamento desta viga, utilize Sg = 2. [1 kg = 10 N] a) Momento fletor máximo: Conforme tabela 10.6 no fim da apostila, para a situação acima o momento fletor máximo será: Mf = P.L / 4 Mf = 10000 . 7000 / 4 = 17500 x 10³ N.mm b) Tensão admissível: adm = e / Sg 47 adm = 210 / 2 = 105 MPa c) Módulo de flexão: adm = Mf / Wf Wf = 17500 x 10³ / 105 = 166 x 10³ mm³ d) Perfil estrutural “I”: Conforme tabela 10.5 no fim da apostila, o perfil “I” para o Wf acima é: Tamanho nominal: 8”, com 27,3 kg/m e Wx = 236 cm³ EXERCÍCIOS 7.1 Para a estrutura abaixo, determine as dimensões do perfil comercial “I” de aço ABNT 1030 LQ (Sg = 3). Obs.: Perfis comerciais na tabela 10.5 no fim da apostila. 7.2 Para as vigas abaixo, selecione o perfil “U” mais apropriado (Aço ABNT 1020 LQ e Sg = 2). a) 50 7.5 Determinar o D do perfil semi-círculo de aço ABNT 1050 LQ para a situação abaixo, sendo P = 2t numa aplicação de força estática e constante. [1kg=9,8N] This document was created with Win2PDF available at http://www.win2pdf.com. 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