动力学:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 20 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

运动学

速度
v = v0 + a·t
位移
s = v0·t + ½·a·t²
不含时间
v² = v0² + 2·a·s
单位
1 m/s = 3.6 km/h

方法

  1. 列出已知量:v₀、v、a、t 和 s,并带上单位。
  2. 选取包含三个已知量和该未知量的公式。
  3. 选定一个正方向,相反方向的量取负号。
  4. 求解并检查答案在物理上是否合理。

牛顿定律

第二定律
ΣF = m·a
重力
W = m·g
动摩擦
Ff = μ·N
斜面上
沿斜面:m·g·sin θ, 垂直斜面:m·g·cos θ

方法

  1. 画出物体所受全部力的受力图。
  2. 沿运动方向选定正方向。
  3. 把力分解为沿运动方向和垂直于运动方向的分量(斜面上:沿斜面 m·g·sin θ,垂直压向斜面 m·g·cos θ)。
  4. 沿运动方向应用 ΣF = m·a;摩擦力为 μ·N,方向与运动相反。

抛体运动

分量
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
位置
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
最大高度
H = h + vy²/(2g)
射程(水平地面)
R = v0²·sin 2θ/g

方法

  1. 把初速度分解为分量:vx = v₀·cos θ,vy = v₀·sin θ。
  2. 水平方向为匀速运动;竖直方向的加速度为 −g。
  3. 由竖直方向的运动求飞行时间。
  4. 把该时间代入水平运动求射程。

圆周运动

向心加速度
a = v²/r = ω²·r
向心力
F = m·v²/r
角速度
ω = v/r = 2π/T
水平弯道,摩擦
vmax = √(μ·g·r)

功和能

动能
Ek = ½mv²
势能
Ep = mgh
能量衡算
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
摩擦力做功
W = μ·N·d
功率
P = W/t

动量与碰撞

动量
p = m·v
守恒
Σm·v (before) = Σm·v (after)
完全非弹性
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
冲量
J = F·Δt = m·Δv

方法

  1. 选定正方向,并给每个速度标上符号。
  2. 写出碰撞前的总动量:Σm·v。
  3. 完全非弹性碰撞后物体一起运动;弹性碰撞中动能也守恒。
  4. 令碰撞前动量等于碰撞后动量并求解。

刚体转动

对质心 G 的转动惯量
杆 mL²/12,圆盘 ½mR²,圆环 mR²,实心球 (2/5)mR²,空心球 (2/3)mR²
平行移轴定理
I = IG + m·d²
回转半径
I = m·k²
杆绕端点
I = mL²/3
运动方程
ΣM = I·α
以 rad/s 表示的转速
ω = 2π·n/60
动能
E = ½·I·ω²
功和功率
W = T·θ, P = T·ω
无滑动滚动
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
角动量
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
绕枢轴的撞击
m·v·d = I·ω

方法

  1. 选择轴:固定的枢轴,或者对滚动的物体选质心。
  2. 用标准结果求出对该轴的转动惯量,转轴平移时用 I = IG + m·d²。
  3. 选择方法:求加速度和力用 ΣM = I·α,求速度用能量(½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h),求撞击和突然变化用角动量。
  4. 用 v = ω·r 和 a = α·r 联系线运动和角运动,并把 rpm 换算成 rad/s。

齿轮与齿轮系

啮合齿轮
n1·N1 = n2·N2
扭矩
T2 = T1·(N2/N1)·η
功率
P = T·ω, ω = 2π·n/60
复合轮系
总传动比 = 各级传动比之积

弹簧与单摆

弹簧振子
T = 2π·√(m/k)
单摆
T = 2π·√(L/g)
角频率
ω = √(k/m) = 2π/T
最大速度和最大加速度
vmax = A·ω, amax = A·ω²
能量
E = ½·k·A²

机械振动

固有频率
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
由静挠度求
ωn = √(g/δst)
临界阻尼
cc = 2√(km) = 2mωn
阻尼比
ζ = c/cc
阻尼固有频率
ωd = ωn√(1 − ζ²)
对数衰减率
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
弹簧并联
k = k1 + k2
弹簧串联
1/k = 1/k1 + 1/k2

2练习题

1.运动学中等
t (s)v (m/s)2.5 s10

一辆以 36 km/h 行驶的汽车以 4 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 36 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
t (s)v (m/s)4 s

一辆有轨电车从静止开始以 1.5 m/s² 加速 4 s,然后匀速行驶 26 s,最后以 4 m/s² 制动直到停止。 求两站之间的总距离 s。

a1 = 1.5 m/s²t1 = 4 st2 = 26 sa3 = −4 m/s²
s = m
3.牛顿定律中等
40 kg40°F = 70 Nμ = 0.1

一个 40 kg 的雪橇被一根与水平方向成 40° 向上的绳子以 70 N 的力拉着在平坦的雪地上移动。动摩擦因数为 0.1。取 g = 9.81 m/s²。求雪橇的加速度 a。

m = 40 kgF = 70 Nθ = 40°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 8.5 kg7 kgθ = 25°

倾角为 25° 的斜面上有一个 8.5 kg 的物块,它通过一根跨过斜面顶端无摩擦滑轮的轻绳与一个悬挂的 7 kg 物体相连。悬挂物向下运动。 物块与斜面之间的动摩擦因数为 0.25。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。

m1 = 8.5 kgm2 = 7 kgθ = 25°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
31 my = ?v0​ = 34 m/s60°

一个球从水平地面以 34 m/s、与水平方向成 60° 的角度朝 31 m 外的一面墙踢出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。球经过墙时的高度 y 是多少?

v₀ = 34 m/sθ = 60°x = 31 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.抛体运动困难
h = 30 mv0​ = 22 m/s60°α = ?

一个球从 30 m 高的悬崖顶部以 22 m/s、与水平方向成 60° 的角度抛出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 它落地时与水平方向向下成多大角度 α?

v₀ = 22 m/sθ = 60°h = 30 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.圆周运动中等
r = 1.5 mω = ?

在游乐场的转筒中,乘客背靠在半径为 1.5 m 的竖直圆筒壁上。圆筒转得足够快时,底板下降,靠摩擦力托住乘客。静摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。 求最小角速度 ω,以 rad/s 表示。

r = 1.5 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
ω = rad/s
8.圆周运动困难
r = 0.7 mv = ?

一个小球系在长 0.7 m 的绳上,在竖直平面内做圆周运动。取 g = 9.81 m/s²。在最高点处,速度至少为多少 vmin 才能使绳子恰好保持绷紧?

r = 0.7 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.功和能中等
30°d = 13 mμ = 0.4

一个物块由静止沿倾角 30° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.4。求它沿斜面滑行 13 m 后的速度 v。

θ = 30°μ = 0.4d = 13 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
8 kg6 kgμ = 0.4d = 2.5 m

一个 8 kg 的物块放在粗糙的水平桌面上(μ = 0.4)。一根轻绳从它出发,跨过桌边的光滑滑轮,连接一个悬挂的 6 kg 物块。系统由静止释放。求悬挂物块下降 2.5 m 后两物块的速度 v。

m1 = 8 kgm2 = 6 kgμ = 0.4d = 2.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
700 kg14 m/s1500 kg

一辆以 14 m/s 行驶的 700 kg 汽车撞上一辆静止的 1500 kg 汽车,两车卡在一起。 碰撞中损失了多少动能 ΔK?

m1 = 700 kgv1 = 14 m/sm2 = 1500 kgv2 = 0
ΔK = J
12.动量与碰撞困难
4.5 kgv = ?10 g15°L = 1.1 m

一颗 10 g 的子弹水平射入一个用长 1.1 m 的轻绳悬挂的 4.5 kg 木块,并留在其中。绳子摆起的最大角度为与竖直方向成 15°。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 10 gM = 4.5 kgL = 1.1 mθ = 15°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.刚体转动中等
12 kgaαM = 9 kgR = 0.35 m

一个 12 kg 的物块悬挂在绕过滑轮的轻绳上,滑轮是质量为 9 kg、半径为 0.35 m 的均匀实心圆盘,在无摩擦的水平轴上转动。物块从静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求物块的加速度 a。

m = 12 kgM = 9 kgR = 0.35 mg = 9.81 m/s²
a = m/s²
14.刚体转动困难
2.5 m/sω

一个质量为 7.5 kg 的薄圆环以 2.5 m/s 的速度无滑动地滚动。 转动动能占总动能的百分之几 p?

m = 7.5 kgv = 2.5 m/sI = m·r²
p = %
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 120 mmd2​ = 300 mm960 rpmn2​ = ?

一个 120 mm 的带轮以 960 rpm 通过皮带驱动一个 300 mm 的带轮,打滑率为 2 %。求从动轮的转速 n2。

n1 = 960 rpmd1 = 120 mmd2 = 300 mms = 2 %
n2 = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
Ns​ = 20nr​ = ?Np​ = 20行星架固定

在一个行星齿轮系中,太阳轮有 20 个齿,每个行星轮有 20 个齿。行星架固定,太阳轮以 900 rpm 驱动。求齿圈的转速 nr(大小)。

Ns = 20Np = 20ns = 900 rpm
nr = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 2.8 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 2.8 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
1.9 kgk = 500 N/mA = 19 cm

一个 1.9 kg 的物体连在 k = 500 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 19 cm 后释放。 求它的最大加速度 amax。

m = 1.9 kgk = 500 N/mA = 19 cm
amax = m/s²
19.机械振动中等
k = 150 kN/mζ = 0.5m = 20 kg

一个 20 kg 的质量块挂在刚度为 150 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.5。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 20 kgk = 150 kN/mζ = 0.5
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 5k2​ = 60m = 100 kg

一个 100 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 5 kN/m,下弹簧 k₂ = 60 kN/m。 忽略阻尼和弹簧的质量。求竖向振动的固有频率 fn,以 Hz 计。

m = 100 kgk1 = 5 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 12.5 m

匀变速直线运动:v = v₀ + a·t,s = v₀·t + ½·a·t²,v² = v₀² + 2·a·s。选择包含三个已知量和一个待求量的那个方程,并按同一个正方向统一符号。

单位

v₀ = 36/3.6 = 10 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 10²/(2·4) = 12.5 m

答案

s = 12.5 m
2.运动学

答案: s = 172.5 m

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

最高速度

v = a1·t1 = 1.5·4 = 6 m/s

各阶段的距离

s1 = ½·1.5·4² = 12 m
s2 = 6·26 = 156 m
s3 = 6²/(2·4) = 4.5 m

总距离

s = 12 + 156 + 4.5 = 172.5 m

答案

s = 172.5 m
3.牛顿定律

答案: a = 0.4721 m/s²

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

法向力

N = m·g − F·sin θ = 392.4 − 70·sin 40° = 347.4 N

水平方向的力

m·a = F·cos θ − μ·N = 53.62 − 34.74
a = 18.88/40 = 0.4721 m/s²

答案

a = 0.4721 m/s²
4.牛顿定律

答案: a = 0.9379 m/s²

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

沿绳子方向的力

m₂·g = 68.67 N
m₁·g·sin θ = 35.24 N
μ·m₁·g·cos θ = 18.89 N

系统的加速度

a = (68.67 − 35.24 − 18.89)/15.5 = 0.9379 m/s²

答案

a = 0.9379 m/s²
5.抛体运动

答案: y = 37.38 m

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

到达墙的时间

vx = 34·cos 60° = 17 m/s
t = x/vx = 31/17 = 1.824 s

此时的高度

y = 29.44·1.824 − ½·9.81·1.824² = 37.38 m

答案

y = 37.38 m

球到达墙时仍在上升。

6.抛体运动

答案: α = 70.37 °

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

分解初速度

vx = 22·cos 60° = 11 m/s
vy0 = 22·sin 60° = 19.05 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(19.05² + 2·9.81·30) = 30.85 m/s

落地角度

tan α = vy/vx = 30.85/11 → α = 70.37°

答案

α = 70.37°
7.圆周运动

答案: ω = 4.669 rad/s

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

乘客受到的力

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

角速度

ω = √(g/(μ·r)) = √(9.81/(0.3·1.5)) = 4.669 rad/s

答案

ω = 4.669 rad/s
8.圆周运动

答案: vmin = 2.62 m/s

匀速圆周运动:物体以速率 v 在半径为 r 的圆周上运动时,具有指向圆心的加速度 a = v²/r,因此需要指向圆心的合力 F = m·v²/r。这个力必须由真实的力提供:摩擦力、张力、重力或支持力。

最高点张力为零

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·0.7) = 2.62 m/s

答案

vmin = 2.62 m/s
9.功和能

答案: v = 6.259 m/s

动能定理:动能的变化等于所有力做的功。把重力和弹簧写成势能(mgh 和 ½kx²)后得到能量衡算:初始能量 = 终了能量 + 摩擦损失的能量 (μN·d)。

沿斜面的能量衡算

物块下降高度 d·sin θ,摩擦消耗 μmg·cos θ·d。质量约去。

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·13·(0.5 − 0.4·0.866)) = 6.259 m/s

答案

v = 6.259 m/s
10.功和能

答案: v = 3.132 m/s

动能定理:动能的变化等于所有力做的功。把重力和弹簧写成势能(mgh 和 ½kx²)后得到能量衡算:初始能量 = 终了能量 + 摩擦损失的能量 (μN·d)。

释放和损失的能量

m₂g·d = 58.86·2.5 = 147.2 J
μ·m₁g·d = 0.4·78.48·2.5 = 78.48 J

两个物块的动能

½(m₁ + m₂)v² = 68.67 → v = √(2·68.67/14) = 3.132 m/s

答案

v = 3.132 m/s
11.动量与碰撞

答案: ΔK = 46773 J

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

共同速度

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 700·14/2200 = 4.455 m/s

碰撞前后的动能

Kbefore = ½·700·14² = 68600 J
Kafter = ½·2200·4.455² = 21827 J

损失的能量

ΔK = 68600 − 21827 = 46773 J

答案

ΔK = 46773 J

损失的能量转化为形变、热和声音。

12.动量与碰撞

答案: v = 386.8 m/s

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

木块的上升高度

h = L·(1 − cos θ) = 1.1·(1 − cos 15°) = 0.03748 m

撞击后的速度

V = √(2·9.81·0.03748) = 0.8575 m/s

碰撞

v = (m + M)·V/m = 4.51·0.8575/0.01 = 386.8 m/s

答案

v = 386.8 m/s
13.刚体转动

答案: a = 7.135 m/s²

Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.

物块和滑轮

物块: m·g − T = m·a
滑轮: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

加速度

a = m·g/(m + M/2) = 12·9.81/(12 + 4.5) = 7.135 m/s²

答案

a = 7.135 m/s²
14.刚体转动

答案: p = 50 %

Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.

平动部分和转动部分

Etrans = ½·m·v² = ½·7.5·2.5² = 23.44 J
Erot = ½·I·ω² = ½·1·m·r²·(v/r)² = 1·23.44 = 23.44 J

转动所占的份额

p = 23.44/46.88·100% = c/(1 + c)·100% = 50%

答案

p = 50 %

这个份额只取决于形状,与质量和速度无关。

15.齿轮与齿轮系

答案: n2 = 376.3 rpm

皮带传动:无打滑时,两个带轮的轮缘线速度相同,v = π·d·n/60,所以 n₁·d₁ = n₂·d₂,速比为 d₂/d₁。打滑率 s 使从动轮稍慢:n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)。传递的功率为 P = (T₁ − T₂)·v,其中 T₁ 为紧边张力,T₂ 为松边张力。摩擦限制了张力之比:T₁/T₂ = eμθ,其中 θ 是小带轮上的包角(弧度);对开口皮带,θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)),C 为中心距。

无打滑时的转速

960·120/300 = 384 rpm

有打滑

n2 = 384·0.98 = 376.3 rpm

答案

n2 = 376.3 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: nr = 300 rpm

行星齿轮系:太阳轮、齿圈和行星架的转速由威利斯方程 (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns 联系起来:从行星架上看,该轮系是以行星轮为惰轮的普通轮系。固定其中一个构件,轮系就成为一个单一传动比的减速器。

齿圈齿数

Nr = Ns + 2·Np = 20 + 2·20 = 60

行星架固定时的威利斯方程

nc = 0 时,太阳轮通过起惰轮作用的行星轮驱动齿圈。

nr = −ns·Ns/Nr = −900·20/60 = −300 rpm
|nr| = 300 rpm

答案

nr = 300 rpm

齿圈与太阳轮转向相反。

17.弹簧与单摆

答案: L = 1.948 m

简谐运动:质量为 m 的物体连在劲度系数为 k 的弹簧上,振动的角频率为 ω = √(k/m),周期为 T = 2π/ω = 2π·√(m/k)。摆长为 L 的单摆周期为 T = 2π·√(L/g)。振幅为 A 时,最大速度为 A·ω,最大加速度为 A·ω²,能量为 ½·k·A²。

求摆长

L = g·(T/2π)² = 9.81·(2.8/2π)² = 1.948 m

答案

L = 1.948 m
18.弹簧与单摆

答案: amax = 50 m/s²

简谐运动:质量为 m 的物体连在劲度系数为 k 的弹簧上,振动的角频率为 ω = √(k/m),周期为 T = 2π/ω = 2π·√(m/k)。摆长为 L 的单摆周期为 T = 2π·√(L/g)。振幅为 A 时,最大速度为 A·ω,最大加速度为 A·ω²,能量为 ½·k·A²。

角频率

ω = √(500/1.9) = 16.22 rad/s

最大加速度

amax = A·ω² = 0.19·16.22² = 50 m/s²

答案

amax = 50 m/s²
19.机械振动

答案: fd = 11.94 Hz

质量–弹簧系统的自由振动:无阻尼固有角频率为 ωn = √(k/m)(rad/s),fn = ωn/(2π)(Hz)。黏性阻尼器 c 给出阻尼比 ζ = c/cc,其中临界阻尼 cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn。欠阻尼系统(ζ < 1)以 ωd = ωn·√(1 − ζ²) 振荡。并联弹簧刚度相加,k = k₁ + k₂;串联弹簧按倒数相加,1/k = 1/k₁ + 1/k₂。

无阻尼固有频率

ωn = √(150000/20) = 86.6 rad/s
fn = 86.6/(2π) = 13.78 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 13.78·√(1 − 0.5²) = 11.94 Hz

答案

fd = 11.94 Hz
20.机械振动

答案: fn = 1.081 Hz

质量–弹簧系统的自由振动:无阻尼固有角频率为 ωn = √(k/m)(rad/s),fn = ωn/(2π)(Hz)。黏性阻尼器 c 给出阻尼比 ζ = c/cc,其中临界阻尼 cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn。欠阻尼系统(ζ < 1)以 ωd = ωn·√(1 − ζ²) 振荡。并联弹簧刚度相加,k = k₁ + k₂;串联弹簧按倒数相加,1/k = 1/k₁ + 1/k₂。

等效刚度

串联弹簧受力相同、变形相加,所以按倒数组合:1/k = 1/k1 + 1/k2。

1/keq = 1/5 + 1/60 → keq = 5·60/(5 + 60) = 4.615 kN/m

固有频率

ωn = √(4615/100) = 6.794 rad/s
fn = 6.794/(2π) = 1.081 Hz

答案

fn = 1.081 Hz

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