Será que estamos perto de obter a primeira imagem do buraco negro no centro da Via Láctea?

Os buracos negros são extremamente difíceis de serem observados e sua localização normalmente é "denunciada" pelo movimento de corpos celestes próximos. No entanto, cientistas pretendem capturar, provavelmente até o ano de 2017,  o que seria a primeira imagem da estrutura do horizonte de eventos de um buraco negro supermassivo, chamado de Sagittarius-A* (lê-se Sagitarius A-estrela), que tem um tamanho 17 vezes maior que o nosso sol, e está localizado no centro de nossa galáxia, a Via Láctea (imagem), a uma distância de 25.000 anos-luz. 
Isto quer dizer que estaríamos vendo uma imagem de como este buraco negro era há 25.000 anos, já que os raios provenientes dele, viajando à velocidade da luz (300.000 km/s) gastam este tempo para se deslocarem de lá até os radiotelescópios situados na Terra. Diversos radiotelescópios estão posicionados em pontos diferentes, e formam juntos um grande sistema mundial de observação chamado de Event Horizon Telescope (EHT). Naturalmente, como a luz visível é capturada pelo buraco negro, o que estaríamos vendo seria uma "imagem" do horizonte de eventos, região localizada na sua periferia, e que seria obtida a partir de captações de outros tipos de ondas eletromagnéticas emitidas, como raios-X, por exemplo, que estão fora do nosso espectro visível. 
Vejam o vídeo a seguir, que é curtinho, e faz um resumo do que se pretende e como está sendo desenvolvida a pesquisa. Para quem sabe um pouco de inglês, ajuda, mas quem não sabe, bastam as imagens, que foram super bem montadas. Eu encontrei este vídeo no facebook na página de Hashem Al-Ghaili, que divulga também vários outros assuntos científicos interessantes. Eu recomendo.

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Como a sanduicheira elétrica sabe o instante exato de avisar que o lanche está pronto?

Em uma aula prática de Física que realizei este ano, mostrei aos alunos uma aplicação do conceito de dilatação térmica, relacionado ao controle e funcionamento de uma sanduicheira elétrica. 
Alguns dias antes do experimento, pedi para que o nosso assistente técnico de laboratório, Luiz, desmontasse uma sanduicheira velha que levei à escola, e depois de muito procurar, ele encontrou e retirou uma pequena lâmina bimetálica circular que estava próxima à chapa de aquecimento, acoplada a um interruptor que, quando pressionado, desligava as resistências elétricas, ao mesmo tempo em que fazia acender uma lâmpada verde. 
A maioria das sanduicheiras acende uma das lâmpadas quando a colocamos na tomada, e depois de algum tempo, outra lâmpada (verde), avisando que o sanduíche está pronto. Vejam a foto da sanduicheira que comprei para substituir a velha que eu levei na escola.

A aula
Ao iniciar a aula, perguntei primeiramente aos alunos se eles sabiam dizer como a sanduicheira reconhecia o momento certo de acender a lâmpada verde. A maioria deles não soube informar, e então eu comecei fazendo uma demonstração simples com um pedaço de papel com uma das faces laminadas, como os que são usados no interior de alguns maços de cigarro.  Ao esquentá-lo, os alunos puderam verificar que o papel se curvava, devido à diferença de dilatação entre os materiais. Esta experiência eu já havia observado em alguns livros e vídeos. Vejam um exemplo:
Logo depois, expliquei que podemos usar dois metais com diferentes coeficientes de dilatação para criarmos uma lâmina bimetálica, como a usada na sanduicheira, e que ao ser aquecida, também se dobra, empurrando o interruptor e acendendo a luz verde. Logo após colocar a pequena lâmina na chapa de um aquecedor elétrico, pudemos perceber que ela se dobrava repentinamente, dando até um "pulinho" na chapa do aquecedor. Vejam: 
Eles entenderam facilmente que esta dobra rápida na lâmina era responsável por pressionar o interruptor do circuito. Depois disso, quiseram filmar o "pulinho", e então repeti algumas vezes, tirando e colocando a lâmina na chapa. Eles se divertiram e ao mesmo tempo aproveitaram para entender a importância de aprendermos determinados fenômenos físicos e suas utilidades em nosso dia-a-dia.
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Vêm aí uma explosão de Ondas Gravitacionais

Enquanto você lê este post, vários pares de buracos negros estão se fundindo em algum lugar do universo. Isto é o que se pode concluir a partir das observações iniciais do observatório LIGO (sigla em inglês para Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser), que em fevereiro anunciou a primeira detecção de uma onda gravitacional, confirmando previsão da teoria da relatividade geral de Albert Einstein. A onda gravitacional detectada alcançou a Terra à velocidade da luz, em 14 de Setembro de 2015, e originou-se de um par de buracos negros que colidiram a 1,3 bilhões de anos-luz de distância.
Na mesma época, o LIGO detectou também um outro sinal suspeito de onda gravitacional que recebeu menor atenção, e  que embora não tenha sido tão forte, pareceu ser promissor.

A Outra Colisão
Uma análise do referido evento, registrado como LVT 151012, tem mostrado com 90% de certeza que ele também teria surgido a partir da colisão de um par de buracos negros. Isso não foi suficiente para que os cientistas considerassem a "detecção", mas a equipe do LIGO ficou confiante, tanto que estão agora usando estes dados para começarem a montar um retrato dos buracos negros no universo.
O palpite dos cientistas é de que a cada hora alguns buracos negros binários estão se fundindo em nosso universo. Isso implica que devemos ter dezenas de detecções ao longo dos próximos anos, e centenas até o final da década, e este número é o suficiente para fazermos algumas descobertas astronômicas bastante significativas.

A partir do mês de setembro deste ano, quando se reiniciarem os trabalhos de busca destas ondas, serão recolhidos cada vez mais eventos. O LIGO pode fazer isso porque ele não é limitado como os telescópios. Seus detectores podem "ver" pequenos efeitos de deformação no espaço-tempo, provocados por grandes objetos. Estas ondas gravitacionais transportam informações sobre a massa, rotação e localização de um buraco negro.

Apenas cerca de 19 buracos negros de massa estelar são conhecidos na Via Láctea, e considerando que nossa galáxia tem centenas de bilhões de estrelas, esse número não deve corresponder à quantidade real existente. No entanto, a verdadeira dimensão da população de buracos negros  ainda permanece desconhecida.
Na verdade, antes do LIGO, os astrônomos não estavam otimistas sobre a possibilidade da detecção de buracos negros binários. Em vez disso, a maioria dos especialistas pensava que as primeiras observações do LIGO viriam da fusão de estrelas de nêutrons binárias. Os astrônomos já tinham visto esses núcleos de supernovas colapsadas que orbitam umas às outras, e estimativas teóricas previam que o LIGO iria captar cerca de 40 dessas incorporações de estrelas de nêutrons, e entre 10 e 20 fusões de buracos negros, a cada ano.

Com a passar do tempo, à medida que mais detecções forem obtidas no LIGO, os astrônomos poderão começar a ter uma ideia melhor do tamanho, formações e comportamentos da maioria dos buracos negros. É apenas uma questão de tempo para termos a confirmação de que estamos entrando definitivamente em uma nova era de descobertas astronômicas, feitas não somente através de observações de telescópios ou captação de ondas eletromagnéticas nos radiotelescópios, mas através de vibrações no tecido do espaço-tempo.

Fonte:
http://www.astronomy.com/news/2016/04/prepare-for-an-explosion-of-gravitational-wave-detections  
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Cálculo da potência útil de um forno micro-ondas

Nesta semana realizei uma experiência de Física com meus alunos, para determinarmos a potência útil de um forno de micro-ondas. Inicialmente, aproveitei para diferenciar os conceitos de Potência Útil, que é aquela efetivamente usada pelo forno para aquecer os alimentos, e a Potência Total Consumida da rede elétrica, que pode ser vista indicada na maioria dos aparelhos. Uma parcela desta Potência Total Consumida é usada para fazer o aparelho funcionar, por exemplo para ligar as lâmpadas e mostradores digitais, girar a base de vidro no interior, e também para produzir as ondas no magnetron. A outra parcela (a maior porcentagem) é usada para agitar as moléculas de água, gordura, ou açúcares, contidos nos alimentos, e esta é a que chamaremos de Potência Útil, a qual queremos determinar.
A Experiência
Inicialmente medimos com uma balança a massa (m) de água contida em um becker, e com um termômetro, a temperatura inicial (ti). Ligamos o forno durante um tempo (T), e depois medimos a temperatura final (tf). A quantidade de calor recebida pela água (Q) foi então calculada pela fórmula deduzida na teoria da Termologia:

Q = m . c . Δt  =  m . c . (tf - ti)

onde c é o calor específico da água, que vale 1 cal/gºC.

No nosso experimento ficou:

Q = 227 . 1 . (43 - 25) = 4086 calorias

Para encontrarmos a potência útil (Pot út) dividimos Q por T:

Pot út = Q/T

Como o tempo de aquecimento, indicado no cronômetro do micro-ondas, foi de 30 segundos, obtivemos:

Pot út = 4086/30 136,2 cal/s

Atrás do forno, que eu empresto da sala dos professores para realizar o experimento,  estava indicada uma potência de 700 W, que corresponde ao valor da Potência Total Consumida  (Pot tot)  da rede elétrica.

Para compararmos Pot út     e   Pot tot     convertemos o valor da Pot út  em watts (W). Para isso, basta multiplicar por 4,2. Obtivemos, então:

Pot út = 136,2 . 4,2 572 W

Finalmente concluímos que dos 700 W fornecidos ao forno pela rede elétrica, somente 572 W foram utilizados para aquecer a água, o que dá uma eficiência de aproximadamente 82%. Vejam as contas que eu anotei na lousa do laboratório:








Para aqueles que quiserem realizar a experiência, caso não tenham balança, lembrem-se que cada 1 mL de água contém 1 g. Então basta um recipiente com graduação de volume para sabermos a massa de água.
Precaução 
Um alerta é para que tomem cuidado e não aqueçam a água por muito tempo, evitando que ela chegue próxima à temperatura de ebulição (em Piracicaba, 97ºC). O que pode acontecer é que ela pode não ferver durante o aquecimento, mas sim ao ser manipulada (balançada) no momento de retirá-la do forno. Veja neste vídeo curtinho, o perigo envolvido:

Fontes:
http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_06.asp
http://www.tecmundo.com.br/eletrodomesticos/10978-mitos-e-verdades-sobre-o-micro-ondas.htm
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Calculando velocidades: uma simples e interessante prática de ensino de Física

Esta semana realizei com os alunos das primeiras séries do ensino médio da escola em que dou aulas de Física, uma atividade prática para determinarmos a velocidade dos veículos passando por uma avenida ao lado da escola, onde a máxima permitida é de 60 km/h (foto).

Momentos antes do início da aula, preparei as condições necessárias para a realização da prática. Tracei inicialmente três linhas no asfalto, separadas por uma distância de 5 metros cada uma. Dessa maneira, os alunos poderiam optar por duas medidas de deslocamento, de 0 a 5 m (foto), ou de 0 a 10 m.
Antes de levar os alunos para o local, conversei com eles na sala sobre as condições de segurança que deveríamos seguir para que ninguém corresse nenhum risco, afinal de contas, a responsabilidade nestes casos recorre sobre a minha pessoa. Feito isso, entreguei a eles alguns cronômetros e fomos a campo recolher as medidas. Cada aluno escolheu uma distância (5 m ou 10 m) e mediram o tempo que quatro veículos gastaram para percorrê-la. Vejam algumas fotos do experimento:

Depois, voltamos para a sala de aula, e pedi a eles que usassem o conceito de velocidade, que eu já havia trabalhado anteriormente nas teorias, para determinarmos os valores com as medidas obtidas na avenida. Como esta é uma atividade sugerida por uma Situação de Aprendizagem que consta do Caderno do Aluno, fornecido pelo Governo do Estado de São Paulo, aproveitei a tabela dada e começamos os cálculos. Depois de algum tempo, todos os alunos já haviam aplicado a fórmula de velocidade (V) que eu passo simplificadamente para eles dessa maneira:
$$\begin{equation*}\large V = \frac{D}{T}\end{equation*}$$ onde D simboliza uma distância percorrida, e T simboliza o intervalo de tempo gasto para percorrê-la. Vejam exemplos de valores de tempos anotados, correspondentes à distância de 10 m:
Os valores aproximados de velocidades da terceira coluna são dados em m/s, pois correspondem à divisão da distância (D)(no caso, 10 m) pelo tempo medido (T), em s (segundos). Os valores de velocidades da última coluna, dados em km/h, correspondem aos valores da terceira coluna multiplicados por 3,6 (fator de conversão de m/s para km/h). Ao explicar para os alunos a origem deste fator de conversão, eu mostro que são feitas duas conversões simultâneas: de metros (m) para quilômetros (km), e também de segundos (s) para horas (h). Como uma hora tem 60 minutos, e cada minuto tem 60 segundos, uma hora tem 60 vezes 60 segundos, que correspondem a 3600 segundos. Como um quilômetro (km) tem 1000 metros (m), se dividirmos 3600 por 1000, obtemos o fator 3,6.
Com esta atividade, os alunos fixaram melhor o conceito de velocidade, essencial para o posterior entendimento dos conceitos de aceleração e força, envolvidos nas Leis de Newton. Ao mesmo tempo, puderam constatar que alguns veículos ultrapassaram a velocidade permitida no local da avenida, como foi o caso do carro 2 e da moto, mostrados na tabela exemplificada acima.
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A importância da matemática na detecção das Ondas Gravitacionais


Não é sempre que a física produz notícias que se tornam mais visíveis na mídia do que as notícias sobre política, crimes ou esportes. Mas agora, em um espaço de tempo de quatro anos, surgiram duas delas que foram muito divulgadas: a descoberta do bóson de Higgs em 2012 e recentemente a detecção das vibrações do espaço-tempo conhecidas como ondas gravitacionais.

Ambas as descobertas foram consideradas pelos físicos como grandes realizações. A verificação da existência do bóson confirmou a explicação dada pela ciência sobre a origem das massas das partículas fundamentais. As ondas gravitacionais, por outro lado, confirmaram, em especial, que os buracos negros, por vezes, emparelham-se, girando em torno de si e, em seguida, fundem-se produzindo uma explosão cataclísmica. Durante um breve instante de tempo, essa explosão, detectada em setembro de 2015 pelo AdLIGO (um observatório muito grande localizado nos EUA, cujo funcionamento eu expliquei neste post de meu blog) produziu mais de 50 vezes a energia de todas as estrelas do universo juntas, como informou o físico Kip Thorne, durante a conferência de imprensa em 11 de fevereiro, no momento em que anunciou a descoberta.

Quase todos os físicos acreditavam firmemente que o Higgs teria de existir (ou então que teriam passado suas carreiras acreditando em um falso modelo matemático). Da mesma forma, ninguém duvidava que Einstein estava certo sobre  as ondas de gravidade (ou que a sua teoria da relatividade geral estava correta na previsão da existência delas - houve um tempo em que o próprio Einstein teve suas dúvidas). Ambas as descobertas têm algo em comum que reflete uma realização ainda mais surpreendente: o poder da mente humana para discernir características profundamente escondidas sobre a realidade física.
Em ambos os casos, a ideia de que tais fenômenos exóticos existiriam veio do poder do cérebro humano - decifrar o significado físico dos símbolos matemáticos manipulados apenas com a utilização de lápis e papel. Experimentalistas sabiam onde (e como) procurar apenas seguindo roteiros criados pelas mentes dos seres humanos, os quais podiam ver o significado oculto em sua matemática.
Peter Higgs deduziu a existência de uma nova partícula, contemplando as consequências de algumas equações complicadas. Seu artigo apresentando as equações foi rejeitado (os revisores diziam que era apenas matemática sem significado físico). Então Higgs olhou para as equações novamente e notou que estava implícita a existência da partícula, agora nomeada em homenagem a ele. De alguma forma, a sua matemática mostraria algo sobre o universo que ninguém mais tinha suspeitado anteriormente.

Einstein, de forma semelhante, descobriu que havia muito mais física na matemática da relatividade geral do que ele inicialmente conhecia. Após anos de luta, ele reuniu as equações que descrevem a gravidade, e previu com precisão a curvatura da luz de uma estrela passando próxima ao sol. Um pouco mais tarde, ele olhou para suas equações novamente e percebeu que elas continham uma surpresa: ondulações no tecido do espaço-tempo que enviariam mensagens através do universo. Mas como seriam muito fracas, pensou, jamais poderiam ser detectadas por nós.

Mais tarde, Einstein perdeu a fé em sua própria matemática. Na década de 1930, ele tentou mostrar que as ondas gravitacionais não existiriam realmente. Ele preparou um documento tentando mostrar que elas eram fantasmas puramente matemáticos, e não fenômenos com efeitos físicos reais. Mesmo assim, as ondas de gravidade permaneceram como uma implicação teórica da relatividade geral.

Examinando a história da física encontram-se mais exemplos do poder da matemática revelando segredos da realidade. A relatividade geral forneceria mais surpresas do que apenas as ondas gravitacionais, por exemplo. Os buracos negros, as lentes gravitacionais e até, de certa forma, a expansão do universo surgiram a partir das equações de Einstein, antes mesmo de qualquer astrônomo observá-los. Os Quarks, os constituintes dos prótons e nêutrons, mostrou-se na matemática de Murray Gell-Mann antes das provas de sua existência terem sido reveladas em aceleradores de partículas. A antimatéria, o combustível do futuro, na ficção científica, tornou-se um fato científico na mente matemática de Paul Dirac antes dos experimentalistas notarem antipartículas nos raios cósmicos.

Talvez o análogo mais próximo das ondas gravitacionais, porém, tenha sido o aparecimento das ondas de rádio na matemática de James Clerk Maxwell descrevendo o eletromagnetismo. Na década de 1860, Maxwell trabalhou a matemática da eletricidade e do magnetismo e descobriu que a própria luz é uma onda eletromagnética. 
Maxwell quase instantaneamente percebeu que outras ondas eletromagnéticas de frequências diferentes poderiam existir. Duas décadas mais tarde, o físico alemão Heinrich Hertz (figura) procurou e encontrou as novas ondas que Maxwell havia previsto. 

Não se acredita que as ondas gravitacionais irão revolucionar a sociedade da maneira como aconteceu com as ondas de rádio. Mas elas certamente irão abrir um novo campo para explorar o cosmos, da mesma forma como foi feita com os radiotelescópios. De qualquer maneira, independentemente da sua eventual utilização prática, as ondas de gravidade irão sempre ficar como um sinal de que a matemática concebida na mente humana coexiste, em certo sentido, com o tecido da realidade.
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3 erros que penalizaram quem não conhecia as leis da Física

Gostaria de mostrar aqui 3 casos em que as pessoas se deram mal por não terem estudado, entendido, ou respeitado algumas leis da Física. 
1- Conservação da Energia Mecânica
A Energia Mecânica é uma das formas de energia que pode ser entendida como a soma de dois outros tipos de energia, a energia devido à altura (Energia Potencial Gravitacional), e a energia devido à velocidade (Energia Cinética)Por exemplo, se desprezarmos os atritos, quando um pêndulo é solto de uma certa altura, com o fio esticado, durante a descida ele perde energia de altura mas ganha energia de velocidade, e assim a soma das duas permanece constante. Durante todo seu movimento a energia mecânica se conserva, e sendo assim o pêndulo retornará exatamente no ponto de onde foi solto. Reparem no vídeo a seguir como o professor americano Walter Lewin toma o cuidado de permanecer quieto mantendo o queixo no mesmo lugar durante uma experiência feita usando um pesado pêndulo esférico. Note também que não é dado nenhum impulso inicial.
     


Agora veja o que acontece com a moça que tenta repetir a experiência sem se preocupar em manter o rosto na mesma posição. A falha foi antes de tudo do homem que não soube instruí-la corretamente.

2-Primeira Lei de Newton (Inércia)
Esta lei diz que todo corpo no qual a força resultante sobre ele é nula, tende a permanecer no estado em que se encontra. Se está em movimento tende a permanecer em movimento, se está em repouso tende a permanecer em repouso. De certa forma parece óbvio, mas algumas pessoas não se dão conta disto, e ao tentarem descer de um veículo em movimento, esquecem-se de continuar correndo para a frente ao tocarem o solo, levando tombos homéricos, como este cidadão que tenta descer do metrô em movimento. 

3-Terceira Lei de Newton (Ação e Reação)
Esta lei diz que a toda ação corresponde uma reação contrária, e de mesma intensidade. Isto quer dizer que quando alguém, por exemplo, atira com um rifle, a bala recebe um impulso do rifle, mas exerce no rifle a mesma intensidade do impulso que recebeu, só que no sentido contrário. Quem já tem uma certa experiência conhece o chamado "coice" da arma, e procuram encostá-la no ombro, mas veja o que fez este cidadão do vídeo.

Como se pode ver, o conhecimento de alguns conceitos básicos de Física também pode nos preservar de sofrermos alguns acidentes perfeitamente evitáveis.
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Por que os peixes parecem maiores dentro da água?

Este ano resolvi fazer um curso de mergulho que culminou com uma viagem à Ilhabela, litoral de São Paulo (foto), para curtirmos e colocarmos em prática os treinamentos realizados na piscina. 
O sinal que estou fazendo com a mão é de que está tudo OK, linguagem mundialmente usada no mergulho.

Durante a parte teórica do curso, notei que havia muita Física aplicada para se entender os problemas que podem surgir devido às variações de pressão do ar contido em nosso sangue e nas várias partes do corpo, principalmente ouvidos e pulmões. Na apostila que eles fornecem, estabelecem-se também as relações entre pressão, volume e temperatura, através de fórmulas conhecidas da Física.
Outro conceito físico diretamente ligado aos mergulhos envolve a Óptica, e diz respeito à refração da luz. Em uma das falas dos experientes mergulhadores que dão o curso, ouvi deles a respeito da sensação de ampliação que temos dos objetos vistos em baixo da água, nos informando que os peixes aparentam ser maiores do que o tamanho real. Na realidade, o que eles estão querendo dizer é que há uma aproximação das imagens, devido ao Dioptro Plano formado entre o ar contido no interior da máscara e a água do mar, dando-nos portanto a percepção de que os objetos estão ampliados. O valor do índice de refração do ar que está dentro da máscara do mergulhador é 1, e o da água do mar é de aproximadamente 3/2. Para entendermos o que ocorre, vou exemplificar usando números e uma fórmula simples:
Um mergulhador (figura) está observando um peixe à distância real (d) de 3 metros dele. Para calcularmos a que distância a imagem do peixe será vista próxima dele (v), devido ao valor citado do índice de refração da água (3/2), basta multiplicarmos (d) por 2, e a seguir dividir por 3:
$$\begin{equation*}\large v = d . 2 /3\end{equation*}$$
$$\begin{equation*}\large v = 3 . 2 /3\end{equation*}$$
$$\begin{equation*}\large v = 2 m\end{equation*}$$
Deste modo, o peixe que está a 3 metros de distância, aparentará estar a apenas 2 metros do mergulhador, ou seja, houve uma "aproximação" de 1 metro, devido ao efeito da refração.
Veja outro caso de uma foto tirada pelo pessoal da Villarejo Mergulho, do meu amigo Cláudio Marracini, dono da escola em que fiz o curso, durante o treinamento na piscina:









Notem a nítida diferença de posições e tamanhos das pessoas, quando vistas pelo ar e pela água. Supondo que o instrutor Marcelo (a esquerda) estivesse a 9 metros de distância da câmera, vamos calcular a que distância ele pareceria estar sendo visto por baixo da água:
$$\begin{equation*}\large v = d . 2 /3\end{equation*}$$
$$\begin{equation*}\large v = 9 . 2 /3\end{equation*}$$
$$\begin{equation*}\large v = 6 m\end{equation*}$$
Ou seja, Marcelo pareceria estar, neste caso, 3 metros mais próximo, e por este motivo aparentaria ser maior do que é. 

Como se vê, estudar Física também nos ajuda a entender melhor os efeitos da prática do mergulho autônomo (com cilindro), que eu recomendo a todos, e que pretendo realizar novamente em breve.  
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