स्थैतिकी: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 12 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल

परिमाण: |a| = √(a_x² + a_y² + a_z²)
इकाई सदिश: û = a/|a|
कोण से घटक: F_x = F·cos θ, F_y = F·sin θ
अदिश गुणनफल: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a||b|cos θ
b पर a का अदिश प्रक्षेप: a·b/|b|
कार्य: W = F·d
सदिश गुणनफल: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x)
क्षेत्रफल: समांतर चतुर्भुज |a × b|, त्रिभुज ½|a × b|
O के परितः आघूर्ण: M_O = r × F, r = A − O
समांतर षट्फलक का आयतन: V = |a·(b × c)|

विधि

हर सदिश को घटकों में लिखें; परिमाण और कोण से दिए गए बल के लिए F·cos θ और F·sin θ का उपयोग करें।
लंबाइयों और दिशाओं के लिए परिमाण √(x² + y² + z²) और इकाई सदिश a/|a| का उपयोग करें।
कोणों, प्रक्षेपों, लंबवतता और कार्य के लिए अदिश गुणनफल का उपयोग करें: a·b = |a||b|cos θ।
लंबवत सदिशों, क्षेत्रफलों और आघूर्णों के लिए सदिश गुणनफल का उपयोग करें: क्रम a × b बनाए रखते हुए तीनों घटक ध्यान से लिखें।

बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

संतुलन: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
एकसमान भार: परिणामी w·L भार के मध्य में
आघूर्ण: M = F·d

विधि

मुक्त-पिंड आरेख बनाएँ और हर आलंब को उसकी प्रतिक्रियाओं से बदलें।
हर वितरित भार को उसके केंद्रक पर एक अकेले बल से बदलें।
एक आलंब के परितः आघूर्ण लेकर दूसरे की प्रतिक्रिया ज्ञात करें।
शेष प्रतिक्रिया ज्ञात करने के लिए ΣF_y = 0 का उपयोग करें, और दूसरे आघूर्ण समीकरण से जाँचें।

ट्रस: जोड़ विधि

संधि विधि: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 at each joint
खंड विधि: ΣM = 0 about a cut point
अवयव बल: धनात्मक = तनाव, ऋणात्मक = संपीडन

विधि

पूरे ट्रस की आलंब प्रतिक्रियाएँ ज्ञात करें।
संधि विधि: ऐसी संधि से शुरू करें जिस पर अधिकतम दो अज्ञात सदस्य बल हों, और ΣF_x = 0 तथा ΣF_y = 0 का उपयोग करें।
खंड विधि: आवश्यक सदस्य से होकर काटें और उस बिंदु के परितः आघूर्ण लें जहाँ अन्य अज्ञात सदस्य मिलते हैं।
तनाव मानें; ऋणात्मक उत्तर का अर्थ है संपीडन।

फ़्रेम और मशीनें

हर अवयव का संतुलन: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
द्वि-बल अवयव: इसके दोनों पिनों से गुज़रने वाली रेखा के अनुदिश बल
पिन बल: जोड़े गए दोनों अवयवों पर समान और विपरीत
पिन बल का परिमाण: F = √(F_x² + F_y²)
उत्तोलक, प्लायर, बेल क्रैंक: F_in·a = F_out·b
टॉगल: F_link = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
एकसमान भार: परिणामी w·L भार के मध्य में

विधि

पूरी संरचना बनाएँ और, यदि अज्ञात तीन से अधिक न हों, तो आलंब प्रतिक्रियाएँ ज्ञात करें।
द्वि-बल अवयव पहचानें: केवल दो पिनों पर भारित, उनका बल दोनों पिनों के बीच की रेखा के अनुदिश लगता है।
फ़्रेम को अलग-अलग करें और हर अवयव को अकेले बनाएँ, जहाँ अवयव मिलते हैं वहाँ समान और विपरीत पिन बल रखें।
हर अवयव के लिए किसी ऐसे पिन के परितः आघूर्ण लें जहाँ अज्ञात बल लगते हैं, फिर ΣF_x = 0 और ΣF_y = 0 उपयोग करें; अंत में घटकों को मिलाकर परिमाण निकालें।

अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

अपरूपण बल और आघूर्ण: V = एक ओर का ΣF, M = एक ओर का ΣF·d
बंकन प्रतिबल: σ = M·y/I
आयत: I = bh³/12
खंड मापांक: W = I/y_max
सरल आधारित, एकसमान भार: M_max = wL²/8

विधि

पूरे बीम के संतुलन से आलंब प्रतिक्रियाएँ ज्ञात करें।
बीम को आवश्यक खंड पर काटें और एक भाग रखें।
अपरूपण बल: उस भाग पर ऊर्ध्वाधर बलों का योग। बंकन आघूर्ण: कट के परितः उनके आघूर्णों का योग।
अधिकतम आघूर्ण के लिए वह स्थान ज्ञात करें जहाँ अपरूपण बल शून्य है।

केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

केंद्रक: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
आयत: I = bh³/12
समांतर अक्ष प्रमेय: I = I_c + A·d²
संयुक्त खंड: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

2अभ्यास प्रश्न

1.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफलमध्यम

k का वह मान ज्ञात कीजिए जिसके लिए सदिश a = (−6, 4, 3) और b = (k, 3, −6) लंबवत हैं।

a = (−6, 4, 3)b = (k, 3, −6)

k =

2.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफलकठिन

इकाई सदिश n̂, a = (4, −5, −3) और b = (−3, 2, −5) दोनों के लंबवत है और उसका z-घटक धनात्मक है। इसका y-घटक n̂_y ज्ञात कीजिए।

a = (4, −5, −3)b = (−3, 2, −5)n̂_z > 0

n̂_y =

3.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँमध्यम

सरल आलंबित बीम में A पर पिन और B पर रोलर है। यह A से 0.5 m पर बिंदु भार P और A से 3 m पर एक दक्षिणावर्त बलयुग्म M वहन करता है। ऊपर की ओर को धनात्मक लेते हुए ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया R_A ज्ञात कीजिए।

L = 5 mP = 20 kN पर 0.5 mM = 40 kN·m (दक्षिणावर्त) पर 3 m

R_A = kN

4.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन

एक संयुक्त बीम A पर दीवार में स्थिर है, C पर (A से 5 m) एक आंतरिक कब्ज़ा (हिंज) है और D पर (A से 10 m) रोलर पर टिका है। यह A से 6 m पर बिंदु भार P, पूरे भाग CD पर समान वितरित भार w वहन करता है। दीवार पर प्रतिक्रिया आघूर्ण M_A का परिमाण ज्ञात कीजिए।

AC = 5 mAD = 10 mP = 65 kN पर 6 mw = 2 kN/m, 5 से 10 m तक

M_A = kN·m

5.ट्रस: जोड़ विधिमध्यम

इस ट्रस का ठीक एक सदस्य इन भारों के अंतर्गत कोई बल वहन नहीं करता। शून्य-बल सदस्य कौन-सा है? उसे आरेख में क्लिक करें।

D: 20 kN ↓F: 20 kN ↓H: 25 kN ↓

1सदस्य AB
2सदस्य BC
3सदस्य CD
4सदस्य DE
5सदस्य FG
6सदस्य GH
7सदस्य AF
8सदस्य HE
9सदस्य BF
10सदस्य CG
11सदस्य DH
12सदस्य BG
13सदस्य DG

6.ट्रस: जोड़ विधिकठिन

F: 30 kN →H: 10 kN ↓

1सदस्य AB
2सदस्य BC
3सदस्य CD
4सदस्य DE
5सदस्य FG
6सदस्य GH
7सदस्य AF
8सदस्य HE
9सदस्य BF
10सदस्य CG
11सदस्य DH
12सदस्य BG
13सदस्य DG

7.फ़्रेम और मशीनेंमध्यम

दिखाया गया A-फ़्रेम A पर पिन और B पर रोलर पर खड़ा है, जो 5 m दूर हैं। पाए पिन C पर मिलते हैं, जो 2 m ऊँचा है, और क्षैतिज टाई DE भूमि से 1 m ऊपर है। C पर 2 kN का भार लगता है। पिन C का पाए BC पर लगाए गए बल C का परिमाण ज्ञात कीजिए।

P = 2 kNAB = 5 mC की ऊँचाई = 2 mDE की ऊँचाई = 1 m

C = kN

8.फ़्रेम और मशीनेंकठिन

1 kN भार की एक एकसमान क्षैतिज बूम AB दीवार में A पर पिन से जुड़ी है और अपने सिरे B से दीवार पर बिंदु C तक एक केबल से थमी है, जो A से 2 m ऊपर है। B पर 6 kN का भार लटका है। केबल में तनाव T ज्ञात कीजिए।

W = 6 kNW_b = 1 kNAB = 2.5 mAC = 2 m

T = kN

9.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

आलंब A से x = 2 m पर खंड में बंकन आघूर्ण M_x ज्ञात कीजिए। नीचे के रेशों को खींचने वाले आघूर्ण और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण बल को धनात्मक लें।

L = 10 mw = 5 kN/m, 0 से 10 m तकx = 2 m

M_x = kN·m

10.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

चिह्न A से G धरन को छह बराबर भागों में बाँटते हैं। किस चिह्न पर बंकन आघूर्ण परिमाण में सबसे बड़ा है, अधोमुखी या ऊर्ध्वमुखी? उसे आरेख में क्लिक करें।

60 kN @ 12 m50 kN @ 8 m8 kN/m, 0–10 m

1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 m)

11.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णमध्यम

एक सममित I-खंड के फ़्लेंज 220 mm चौड़े और 14 mm मोटे हैं, कुल गहराई 320 mm है और वेब 8 mm मोटा है। क्षैतिज केंद्रकीय अक्ष x के परितः बंकन के लिए उसका प्रत्यास्थ खंड मापांक S_x ज्ञात कीजिए।

B = 220 mmH = 320 mmt_f = 14 mmt_w = 8 mm

S_x = × 10³ mm³

12.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णकठिन

100 mm × 300 mm की एक प्लेट में 60 mm चौड़ा और 20 mm ऊँचा आयताकार कटाव है, जो ऊर्ध्वाधर केंद्र रेखा पर केंद्रित है और जिसका केंद्र नीचे से 105 mm ऊपर है। केंद्रक से गुज़रने वाले क्षैतिज अक्ष के परितः क्षेत्रफल का द्वितीय आघूर्ण I_x ज्ञात कीजिए।

b = 100 mmh = 300 mmकटाव: 60 × 20 mmछिद्र का केंद्र: y = 105 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

3विलयन

1.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल

उत्तर: k = −1

Dot product: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

अदिश गुणनफल शून्य के बराबर

a·b = (−6)·k + 4·3 + 3·(−6) = 0

−6 + (−6)·k = 0

k के लिए हल करें

k = −(−6)/(−6) = −1

उत्तर

k = −1

2.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल

उत्तर: n̂_y = −0.6741

Cross product: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is M_O = r × F, with r = A − O.

सदिश गुणनफल

(a × b)_x = a_yb_z − a_zb_y = (−5)·(−5) − (−3)·2 = 31

(a × b)_y = a_zb_x − a_xb_z = (−3)·(−3) − 4·(−5) = 29

(a × b)_z = a_xb_y − a_yb_x = 4·2 − (−5)·(−3) = −7

इकाई रूप में लाएँ

a × b का z-घटक ऋणात्मक है, इसलिए −(a × b) का उपयोग करें।

|a × b| = √(31² + 29² + (−7)²) = 43.02

n̂ = −(31, 29, −7)/43.02 = (−0.7205, −0.6741, 0.1627)

n̂_y = −0.6741

उत्तर

n̂_y = −0.6741

3.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_A = 10 kN

A के परितः आघूर्ण

वामावर्त धनात्मक।

ΣM_A = 0: R_B·5 − 20·0.5 − 40 = 0

R_B = 50/5 = 10 kN

ऊर्ध्वाधर संतुलन

R_A = 20 − 10 = 10 kN

उत्तर

R_A = 10 kN

ऋणात्मक प्रतिक्रिया नीचे की ओर कार्य करती है।

4.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: M_A = 285 kN·m

स्थैतिक संतुलन: विराम में पिंड के लिए ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 और किसी भी बिंदु के परितः ΣM = 0। हर वितरित भार को उसके परिणामी (उसका क्षेत्रफल) से बदलें जो भार आरेख के केंद्रक पर कार्य करता है, और किसी आलंब के परितः आघूर्ण लें ताकि उस आलंब की प्रतिक्रिया समीकरण से हट जाए। आंतरिक कब्ज़ा बंकन आघूर्ण वहन नहीं कर सकता, जिससे एक अतिरिक्त समीकरण मिलता है: किसी भी ओर के बलों का कब्ज़े के परितः आघूर्ण शून्य है।

भाग CD

कब्ज़े पर कोई आघूर्ण नहीं है, इसलिए केवल CD पर C के परितः आघूर्ण संतुलित होने चाहिए।

W = 2·5 = 10 kN पर 2.5 m से C

ΣM_C = 0: R_D·5 = 65·1 + 10·2.5

R_D = 18 kN

V_C = 75 − 18 = 57 kN

भाग AC

कब्ज़ा बल V_C, AC पर नीचे की ओर कार्य करता है (CD पर उसकी क्रिया के बराबर और विपरीत)।

R_A = 57 = 57 kN

M_A = 57·5 = 285 kN·m

उत्तर

M_A = 285 kN·m

5.ट्रस: जोड़ विधि

उत्तर: सदस्य CG

शून्य-बल सदस्य: किसी संधि पर बल हर दिशा में संतुलित होने चाहिए। यदि संधि पर कोई भार और आधार नहीं है, और उसके तीन सदस्यों में से दो एक सीध में हैं, तो उस रेखा के आर-पार का संतुलन केवल तीसरे सदस्य को शामिल करता है, इसलिए उसका बल शून्य है। यदि भाररहित संधि पर केवल दो सदस्य मिलते हैं और वे एक सीध में नहीं हैं, तो दोनों शून्य हैं।

संधि C

BC और CD एक सीधी रेखा में हैं और संधि पर कोई भार नहीं है। उस रेखा के आर-पार बलों को संतुलित करने पर केवल CG बचता है।

ΣF⊥ = 0 → F_CG = 0

संधि विधि से जाँचें

सभी संधियाँ हल करने पर ये सदस्य बल मिलते हैं (T = तनाव, C = संपीड़न)।

AB: 26.25 kN (T), BC: 32.5 kN (T), CD: 32.5 kN (T), DE: 38.75 kN (T), FG: 26.25 kN (C), GH: 38.75 kN (C), AF: 37.12 kN (C), HE: 54.8 kN (C), BF: 6.25 kN (T), CG: 0, DH: 13.75 kN (T), BG: 8.839 kN (C), DG: 8.839 kN (T)

उत्तर

शून्य-बल सदस्य: CG

6.ट्रस: जोड़ विधि

उत्तर: सदस्य CG

संधि C

ΣF⊥ = 0 → F_CG = 0

संधि विधि से जाँचें

सभी संधियाँ हल करने पर ये सदस्य बल मिलते हैं (T = तनाव, C = संपीड़न)।

AB: 25 kN (T), BC: 20 kN (T), CD: 20 kN (T), DE: 15 kN (T), FG: 25 kN (C), GH: 15 kN (C), AF: 7.071 kN (T), HE: 21.21 kN (C), BF: 5 kN (C), CG: 0, DH: 5 kN (T), BG: 7.071 kN (T), DG: 7.071 kN (C)

उत्तर

शून्य-बल सदस्य: CG

7.फ़्रेम और मशीनें

उत्तर: C = 2.693 kN

फ़्रेम और मशीनें: ट्रस के विपरीत, फ़्रेम में कम से कम एक अवयव दो से अधिक बिंदुओं पर बल वहन करता है, या उसके पिनों के बीच भार होता है। पहले द्वि-बल अवयव खोजें: केवल दो पिनों पर भारित अवयव का बल उन्हें जोड़ने वाली रेखा के अनुदिश होता है, इसलिए वह दो नहीं, एक अज्ञात जोड़ता है। फिर, यदि अज्ञात तीन से अधिक न हों, तो आलंब प्रतिक्रियाओं के लिए पूरी संरचना उपयोग करें। अंत में फ़्रेम को अलग करें: हर अवयव अलग बनाएँ, जहाँ दो अवयव जुड़ते हैं वहाँ पिन बल समान और विपरीत रखें, और उसके लिए ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 और ΣM = 0 लिखें। किसी पिन के परितः आघूर्ण लेने से समीकरण से उस पिन बल के दोनों घटक हट जाते हैं।

पाए BC से टाई बल

B_y = 1 kN

T = 1·2.5/1 = 2.5 kN

BC पर पिन बल के घटक

C_x = T = 2.5 kN, C_y = −B_y = −1 kN

परिमाण

C = √(2.5² + 1²) = 2.693 kN

उत्तर

C = 2.693 kN

8.फ़्रेम और मशीनें

उत्तर: T = 10.41 kN

केबल का कोण

BC = √(2.5² + 2²) = 3.202 m, sin β = 0.6247

A के परितः आघूर्ण

T·0.6247·2.5 = 6·2.5 + 1·1.25

T = 10.41 kN

उत्तर

T = 10.41 kN

9.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = 40 kN·m

खंड विधि: जहाँ आंतरिक बल चाहिए वहाँ बीम काटें और एक भाग रखें। अपरूपण बल V उस भाग के ऊर्ध्वाधर बलों को संतुलित करता है, और बंकन आघूर्ण M कट के परितः उनके आघूर्णों को।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 5·10 = 50 kN, x̄ = 5 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·10 = 5·10·5

R_B = 250/10 = 25 kN

ΣF_y = 0: R_A = 50 − 25 = 25 kN

x = 2 m पर काटें और बायाँ भाग रखें

केवल कट के बाईं ओर के बल आते हैं। वितरित भार का एक हिस्सा उस हिस्से के मध्य में एक बल की तरह कार्य करता है।

M = R_A·x − (कट के बाईं ओर हर भार × कट से उसकी दूरी)

M_x = 25·2 − 5·2·1 = 40 kN·m

उत्तर

M_x = 40 kN·m

10.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: F (x = 10 m)

सबसे बड़ा बंकन आघूर्ण: जहाँ भी अपरूपण बल बदलता है वहाँ M का ढाल बदलता है, इसलिए उसके शिखर वहाँ होते हैं जहाँ अपरूपण बल शून्य को पार करता है: बिंदु भार के नीचे, वितरित भार के भीतर, या ओवरहैंग वाले आधार के ऊपर। कैंटिलीवर के जड़े आधार पर आघूर्ण दीवार पर सबसे अधिक होता है। उन स्थानों पर M के परिमाण की तुलना करें, अधोमुखी या ऊर्ध्वमुखी।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

एक आधार के परितः आघूर्ण लें, फिर ऊर्ध्वाधर बल संतुलन का उपयोग करें।

R₁ = 38 kN, R₂ = 152 kN

हर चिह्न पर बंकन आघूर्ण

कट की एक ओर के सभी बलों के आघूर्ण जोड़ें। अधोमुखी धनात्मक है, ऊर्ध्वमुखी ऋणात्मक।

M_A = 0, M_B = 60, M_C = 88, M_D = 84, M_E = 48, M_F = −120 kN·m, M_G = 0

उत्तर

चिह्न F: M_F = −120 kN·m

11.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: S_x = 1006 × 10³ mm³

क्षेत्रफल का द्वितीय आघूर्ण: आयत के लिए उसकी अपनी केंद्रकीय अक्ष के परितः I = bh³/12, और उसके आधार के परितः bh³/3 (समांतर अक्ष प्रमेय I = I_c + A·d²)। छिद्र को उसका I घटाकर संभाला जाता है, बशर्ते दोनों भागों की अक्ष एक ही हो। प्रत्यास्थ खंड मापांक S = I/c है, जहाँ c चरम तंतु तक की दूरी है।

बाहरी आयत में से दोनों पार्श्व कटाव घटाकर

दोनों कटाव मिलकर (B − t_w) चौड़े और h_w = H − 2t_f ऊँचे हैं, और उनकी अक्ष x एक ही है।

h_w = 320 − 2·14 = 292 mm

I_x = (B·H³ − (B − t_w)·h_w³)/12 = (220·320³ − 212·292³)/12

I_x = 1.609 × 10⁸ mm⁴

खंड मापांक

c = H/2 = 160 mm

S_x = I/c = 1.609 × 10⁸/160

S_x = 1.006 × 10⁶ mm³ = 1006 × 10³ mm³

उत्तर

S_x = 1006 × 10³ mm³

12.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: I_x = 222.4 × 10⁶ mm⁴

छिद्र वाले परिच्छेद: छिद्र को ऋणात्मक क्षेत्रफल मानें। केंद्रक ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂) है, जहाँ A₁, y₁ पूरी प्लेट के लिए और A₂, y₂ छिद्र के लिए हैं। केंद्रक अक्ष के परितः क्षेत्रफल के द्वितीय आघूर्ण के लिए हर भाग पर समांतर-अक्ष प्रमेय लगाएँ और छिद्र घटाएँ: I = (I_c1 + A₁d₁²) − (I_c2 + A₂d₂²), जहाँ d हर भाग के अपने केंद्रक से ȳ से गुज़रने वाले अक्ष तक की दूरी है। आयत के लिए I_c = bh³/12 और वृत्त के लिए I_c = πd⁴/64।

केंद्रक

ȳ = (30000·150 − 1200·105)/(30000 − 1200) = 151.9 mm

ȳ के परितः पूरी प्लेट

100·300³/12 + 30000·−1.875² = 225.1 × 10⁶ mm⁴

ȳ के परितः छिद्र

60·20³/12 + 1200·−46.88² = 2.677 × 10⁶ mm⁴

घटाइए

I_x = 222.4 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

I_x = 222.4 × 10⁶ mm⁴

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