第01章静力学基本概念.ppt

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1、工程力学 Engineering Mechanics 苏州科技学院工程力学系工程力学系一月一月 23 23 任课教师简介主讲教师:主讲教师:范存新范存新电话:0512-68787927Email:办公地点:1、本部土木学院4楼 工程力学系2、天平2教3教中间2楼 工程力学教研室 课程总学时:85(本学期讲完)参考书:参考书:哈尔滨工业大学编哈尔滨工业大学编理论力学理论力学(第(第6版,高等教育出版社)版,高等教育出版社)孙训芳孙训芳等编等编材料力学材料力学(第(第4版,高等教育出版社)版,高等教育出版社)要求:要求:认真听课,记好课堂笔记认真听课,记好课堂笔记仔细研读教材和参考书仔细研读教材和

2、参考书独立按时完成作业独立按时完成作业 总评成绩由以下几部分组成:总评成绩由以下几部分组成:1.平时作业平时作业2.平时测验平时测验3.期中考试期中考试4.4.期末考试期末考试考试方式:闭卷考试方式:闭卷作业基本要求:作业基本要求:1.应抄写原题目应抄写原题目2.要用工具画示意图要用工具画示意图3.每周按规定时间交作业每周按规定时间交作业 研究力和力系的基本性质、物体的受力分析和刚研究力和力系的基本性质、物体的受力分析和刚研究力和力系的基本性质、物体的受力分析和刚研究力和力系的基本性质、物体的受力分析和刚体系统的平衡条件的科学。体系统的平衡条件的科学。体系统的平衡条件的科学。体系统的平衡条件的

3、科学。1 1、力和力系的基本性质:研究力和力系的基本概、力和力系的基本性质:研究力和力系的基本概、力和力系的基本性质:研究力和力系的基本概、力和力系的基本性质:研究力和力系的基本概念、基本性质、公理等。念、基本性质、公理等。念、基本性质、公理等。念、基本性质、公理等。2 2、物体的受力分析:分析物体(包括物体系)受、物体的受力分析:分析物体(包括物体系)受、物体的受力分析:分析物体(包括物体系)受、物体的受力分析:分析物体(包括物体系)受哪些力,每个力的作用位置和方向,并画出物体的哪些力,每个力的作用位置和方向,并画出物体的哪些力,每个力的作用位置和方向,并画出物体的哪些力,每个力的作用位置和

4、方向,并画出物体的受力图。受力图。受力图。受力图。3 3、刚体系统的平衡条件:建立各种力系的平衡条、刚体系统的平衡条件:建立各种力系的平衡条、刚体系统的平衡条件:建立各种力系的平衡条、刚体系统的平衡条件:建立各种力系的平衡条件,并应用这些条件解决静力学实际问题件,并应用这些条件解决静力学实际问题件,并应用这些条件解决静力学实际问题件,并应用这些条件解决静力学实际问题 。第一篇 静力学 第一章第一章 静力学基本概念和物体受力分析静力学基本概念和物体受力分析1力的概念:力的概念:力是物体间的相互机械力是物体间的相互机械作用,作用,这种作用可以改变物体的运动这种作用可以改变物体的运动状态,或使物体产

5、生变形。状态,或使物体产生变形。F,F一、静力学基本概念一、静力学基本概念(a)力改变物体的运动状态(c)力矩改变物体的旋转运动状态(d)力矩使物体弯曲(b)力使物体变形图1.8 力和力矩的作用 2刚体的概念:刚体的概念:在力的在力的作用下不变形的物体称作用下不变形的物体称为刚体,为刚体,刚体也可以认刚体也可以认为是受力后,其内部任为是受力后,其内部任意两点间距离保持不变意两点间距离保持不变3平衡的概念:平衡的概念:指物体指物体相对于惯性参考系静止相对于惯性参考系静止或作匀速直线运动。或作匀速直线运动。力的作用点:力的作用点:物体间机械作物体间机械作用位置的抽象用位置的抽象化。化。4.力系:力

6、系:是指作用在同一物体上的一群力。是指作用在同一物体上的一群力。5.等效力系:等效力系:作用在刚体上的力系,在用另一力系作用在刚体上的力系,在用另一力系代换后,若代换前后刚体的运动状态不变,则这代换后,若代换前后刚体的运动状态不变,则这两个力系互为等效力系。两个力系互为等效力系。6.合力合力:如果一个力系只与一个力等效,则这:如果一个力系只与一个力等效,则这个力叫该力系的合力。个力叫该力系的合力。使使使使刚体平衡的充分必要条件刚体平衡的充分必要条件刚体平衡的充分必要条件刚体平衡的充分必要条件最简单力系的平衡条件最简单力系的平衡条件最简单力系的平衡条件最简单力系的平衡条件 只在两力作用下平衡的刚

7、体称为二力体或二力构件。只在两力作用下平衡的刚体称为二力体或二力构件。公理公理1 二力平衡公理二力平衡公理作用在刚体上的两个力,使刚体平作用在刚体上的两个力,使刚体平衡的必要和充分条件是:两个力的衡的必要和充分条件是:两个力的大小相等,方向相反,作用线沿同大小相等,方向相反,作用线沿同一直线一直线 1.2 1.2 静力学公理静力学公理推理推理推理推理1 1 力的可传性力的可传性力的可传性力的可传性 作用在刚体上某点的力,可沿其作用作用在刚体上某点的力,可沿其作用作用在刚体上某点的力,可沿其作用作用在刚体上某点的力,可沿其作用线移动,而不改变它对刚体的作用。线移动,而不改变它对刚体的作用。线移动

8、,而不改变它对刚体的作用。线移动,而不改变它对刚体的作用。作用在刚体上的力是滑动矢量,力的三要素为作用在刚体上的力是滑动矢量,力的三要素为作用在刚体上的力是滑动矢量,力的三要素为作用在刚体上的力是滑动矢量,力的三要素为大小、方向和作用线。大小、方向和作用线。大小、方向和作用线。大小、方向和作用线。公理公理2 加减平衡力系公理加减平衡力系公理在已知力系上加或减去任意平衡力系,并不在已知力系上加或减去任意平衡力系,并不改变原力系对刚体的作用。改变原力系对刚体的作用。公理公理3 力的平形四边形法则力的平形四边形法则作用在物体上同一点的两个力,可合成一个合力,合力的作用在物体上同一点的两个力,可合成一

9、个合力,合力的作用点仍在该点,其大小和方向由以此两力为边构成的平作用点仍在该点,其大小和方向由以此两力为边构成的平行四边形的对角线确定。行四边形的对角线确定。推理推理推理推理 2 2 三力平衡汇交定理三力平衡汇交定理三力平衡汇交定理三力平衡汇交定理 当刚体受到同平面内不当刚体受到同平面内不当刚体受到同平面内不当刚体受到同平面内不平行的三力作用而平衡时,三力的作用线必汇交于一点。平行的三力作用而平衡时,三力的作用线必汇交于一点。平行的三力作用而平衡时,三力的作用线必汇交于一点。平行的三力作用而平衡时,三力的作用线必汇交于一点。平衡时平衡时平衡时平衡时 必与必与必与必与 共线则三力必汇交共线则三力

10、必汇交共线则三力必汇交共线则三力必汇交O O 点,且共面。点,且共面。点,且共面。点,且共面。作用与反作用:作用与反作用:“别挤别挤”,“什么?谁挤你了?是什么?谁挤你了?是你在挤我!你在挤我!”公理公理4 作用力与反作用力公理作用力与反作用力公理两物体间的相互作用力,大小相等,方向相反,作用线两物体间的相互作用力,大小相等,方向相反,作用线沿同一直线。沿同一直线。柔性体(受拉力平衡)柔性体(受拉力平衡)柔性体(受拉力平衡)柔性体(受拉力平衡)刚化为刚体(仍平衡)刚化为刚体(仍平衡)刚化为刚体(仍平衡)刚化为刚体(仍平衡)反之不一定成立,因对刚体平衡的充分必要条反之不一定成立,因对刚体平衡的充

11、分必要条反之不一定成立,因对刚体平衡的充分必要条反之不一定成立,因对刚体平衡的充分必要条件,对变形体是必要的但非充分的。件,对变形体是必要的但非充分的。件,对变形体是必要的但非充分的。件,对变形体是必要的但非充分的。刚体(受压平衡)刚体(受压平衡)刚体(受压平衡)刚体(受压平衡)柔性体(受压不能平衡)柔性体(受压不能平衡)柔性体(受压不能平衡)柔性体(受压不能平衡)公理公理5 刚化原理:刚化原理:变形体在某一力系作用下处于平衡,如将此变形体在某一力系作用下处于平衡,如将此变形体刚化为刚体,其平衡状态保持不变。变形体刚化为刚体,其平衡状态保持不变。2 2 约束与约束反力约束与约束反力约束反力:约

12、束反力:约束给被约束物体的力叫约束反力。约束给被约束物体的力叫约束反力。自由体:自由体:位移不受限制的物体叫自由体位移不受限制的物体叫自由体。非自由体:非自由体:位移受限制的物体叫非自由体位移受限制的物体叫非自由体。约束:约束:对非自由体的某些位移预先施加的限制条件称为约束。对非自由体的某些位移预先施加的限制条件称为约束。进一步,施加约束的周围物体称为约束进一步,施加约束的周围物体称为约束 大小常常是未知的;大小常常是未知的;方向总是与约束所能限制的位移方向相反;方向总是与约束所能限制的位移方向相反;作用点在物体与约束相接触的那一点。作用点在物体与约束相接触的那一点。特点:工程常见的约束工程常

13、见的约束工程常见的约束工程常见的约束1 1、具有光滑接触面(线、点)的约束(光滑接触约束)、具有光滑接触面(线、点)的约束(光滑接触约束)、具有光滑接触面(线、点)的约束(光滑接触约束)、具有光滑接触面(线、点)的约束(光滑接触约束)光滑支承接触对非自由体的约束力,作用在接触光滑支承接触对非自由体的约束力,作用在接触光滑支承接触对非自由体的约束力,作用在接触光滑支承接触对非自由体的约束力,作用在接触处;方向沿接触处的公法线并指向受力物体,故处;方向沿接触处的公法线并指向受力物体,故处;方向沿接触处的公法线并指向受力物体,故处;方向沿接触处的公法线并指向受力物体,故称为法向约束力,用称为法向约束

14、力,用称为法向约束力,用称为法向约束力,用 表示。表示。表示。表示。2 2 、由柔软的绳索、胶带或链条等构成的约束、由柔软的绳索、胶带或链条等构成的约束、由柔软的绳索、胶带或链条等构成的约束、由柔软的绳索、胶带或链条等构成的约束柔柔柔柔索只能受拉力,又称张力。用索只能受拉力,又称张力。用索只能受拉力,又称张力。用索只能受拉力,又称张力。用 表示。表示。表示。表示。柔索对物体的约束力沿着柔索背向被约束物体。柔索对物体的约束力沿着柔索背向被约束物体。柔索对物体的约束力沿着柔索背向被约束物体。柔索对物体的约束力沿着柔索背向被约束物体。胶带对轮的约束力沿轮缘的切线方向,为拉力。胶带对轮的约束力沿轮缘的

15、切线方向,为拉力。胶带对轮的约束力沿轮缘的切线方向,为拉力。胶带对轮的约束力沿轮缘的切线方向,为拉力。3 3、光滑铰链约束(径向轴承、圆柱铰链、固定铰、光滑铰链约束(径向轴承、圆柱铰链、固定铰、光滑铰链约束(径向轴承、圆柱铰链、固定铰、光滑铰链约束(径向轴承、圆柱铰链、固定铰链支座等)链支座等)链支座等)链支座等)(1 1)、径向轴承(向心轴承)、径向轴承(向心轴承)、径向轴承(向心轴承)、径向轴承(向心轴承)约束特点:约束特点:约束特点:约束特点:轴在轴承孔内,轴为非自由体、轴承孔轴在轴承孔内,轴为非自由体、轴承孔轴在轴承孔内,轴为非自由体、轴承孔轴在轴承孔内,轴为非自由体、轴承孔为约束。为

16、约束。为约束。为约束。约束力:约束力:约束力:约束力:当不计摩擦时,轴与孔在接触为光滑接当不计摩擦时,轴与孔在接触为光滑接当不计摩擦时,轴与孔在接触为光滑接当不计摩擦时,轴与孔在接触为光滑接触约束触约束触约束触约束法向约束力。法向约束力。法向约束力。法向约束力。约束力作用在接触处,沿径向指向轴心。约束力作用在接触处,沿径向指向轴心。约束力作用在接触处,沿径向指向轴心。约束力作用在接触处,沿径向指向轴心。当当当当外界载荷不同时,接触点会变,则约束力的大小外界载荷不同时,接触点会变,则约束力的大小外界载荷不同时,接触点会变,则约束力的大小外界载荷不同时,接触点会变,则约束力的大小与方向均有改变。与

17、方向均有改变。与方向均有改变。与方向均有改变。可用二个通过轴心的正交分力可用二个通过轴心的正交分力可用二个通过轴心的正交分力可用二个通过轴心的正交分力 表示。表示。表示。表示。光滑圆柱铰链光滑圆柱铰链光滑圆柱铰链光滑圆柱铰链约束特点:由两个各穿孔的构件及圆柱销钉组成,约束特点:由两个各穿孔的构件及圆柱销钉组成,约束特点:由两个各穿孔的构件及圆柱销钉组成,约束特点:由两个各穿孔的构件及圆柱销钉组成,如剪刀。如剪刀。如剪刀。如剪刀。约束力:约束力:约束力:约束力:光滑圆柱铰链:亦为孔与轴的配合问题,与轴承一光滑圆柱铰链:亦为孔与轴的配合问题,与轴承一光滑圆柱铰链:亦为孔与轴的配合问题,与轴承一光滑

18、圆柱铰链:亦为孔与轴的配合问题,与轴承一样,可用两个正交分力表示。样,可用两个正交分力表示。样,可用两个正交分力表示。样,可用两个正交分力表示。其中有作用反作用关系其中有作用反作用关系其中有作用反作用关系其中有作用反作用关系 一般不必分析销钉受力,当要分析时,必须把销一般不必分析销钉受力,当要分析时,必须把销一般不必分析销钉受力,当要分析时,必须把销一般不必分析销钉受力,当要分析时,必须把销钉单独取出。钉单独取出。钉单独取出。钉单独取出。(iii)iii)固定铰链支座固定铰链支座固定铰链支座固定铰链支座约束特点:约束特点:约束特点:约束特点:由上面构件由上面构件由上面构件由上面构件1 1或或或

19、或2 2 之一与地面或机架固定而成。之一与地面或机架固定而成。之一与地面或机架固定而成。之一与地面或机架固定而成。约束力:与圆柱铰链相同约束力:与圆柱铰链相同约束力:与圆柱铰链相同约束力:与圆柱铰链相同以上三种约束(经向轴承、光滑圆柱铰链、固定以上三种约束(经向轴承、光滑圆柱铰链、固定以上三种约束(经向轴承、光滑圆柱铰链、固定以上三种约束(经向轴承、光滑圆柱铰链、固定铰链支座)其约束特性相同,均为轴与孔的配合铰链支座)其约束特性相同,均为轴与孔的配合铰链支座)其约束特性相同,均为轴与孔的配合铰链支座)其约束特性相同,均为轴与孔的配合问题,都可称作光滑圆柱铰链。问题,都可称作光滑圆柱铰链。问题,

20、都可称作光滑圆柱铰链。问题,都可称作光滑圆柱铰链。4 4、其它类型约束、其它类型约束、其它类型约束、其它类型约束(1 1)、滚动支座)、滚动支座)、滚动支座)、滚动支座约束特点:约束特点:约束特点:约束特点:在上述固定铰支座与光滑固定平面之间装有光滑在上述固定铰支座与光滑固定平面之间装有光滑在上述固定铰支座与光滑固定平面之间装有光滑在上述固定铰支座与光滑固定平面之间装有光滑辊轴而成。辊轴而成。辊轴而成。辊轴而成。约束力:约束力:约束力:约束力:构件受到构件受到构件受到构件受到光滑面的约束力。光滑面的约束力。光滑面的约束力。光滑面的约束力。(2)(2)、球铰链球铰链球铰链球铰链约束特点:通过球与

21、球壳将构件连接,构件可以绕球约束特点:通过球与球壳将构件连接,构件可以绕球约束特点:通过球与球壳将构件连接,构件可以绕球约束特点:通过球与球壳将构件连接,构件可以绕球心任意转动,但构件与球心不能有任何移动。心任意转动,但构件与球心不能有任何移动。心任意转动,但构件与球心不能有任何移动。心任意转动,但构件与球心不能有任何移动。约束力:当忽略摩擦时,球与球座亦是光滑约束问题。约束力:当忽略摩擦时,球与球座亦是光滑约束问题。约束力:当忽略摩擦时,球与球座亦是光滑约束问题。约束力:当忽略摩擦时,球与球座亦是光滑约束问题。约束力通过接触点,并指向球心,是一个不能预先确约束力通过接触点,并指向球心,是一个

22、不能预先确约束力通过接触点,并指向球心,是一个不能预先确约束力通过接触点,并指向球心,是一个不能预先确定的空间力。可用三个正交分力表示。定的空间力。可用三个正交分力表示。定的空间力。可用三个正交分力表示。定的空间力。可用三个正交分力表示。(3 3)、)、)、)、止推轴承止推轴承止推轴承止推轴承约束特点:约束特点:约束特点:约束特点:止推轴承比径向轴承多一个止推轴承比径向轴承多一个止推轴承比径向轴承多一个止推轴承比径向轴承多一个轴向的位移限制。轴向的位移限制。轴向的位移限制。轴向的位移限制。约束力:比径向轴承多一个轴向的约束反力,亦有三约束力:比径向轴承多一个轴向的约束反力,亦有三约束力:比径向

23、轴承多一个轴向的约束反力,亦有三约束力:比径向轴承多一个轴向的约束反力,亦有三个正交分力个正交分力个正交分力个正交分力 。(1 1)光滑面约束)光滑面约束)光滑面约束)光滑面约束法向约束力法向约束力法向约束力法向约束力(2 2)柔索约束)柔索约束)柔索约束)柔索约束张力张力张力张力(3 3)光滑铰链)光滑铰链)光滑铰链)光滑铰链球铰链球铰链球铰链球铰链空间三正交分力空间三正交分力空间三正交分力空间三正交分力止推轴承止推轴承止推轴承止推轴承空间三正交分力空间三正交分力空间三正交分力空间三正交分力(4 4)滚动支座)滚动支座)滚动支座)滚动支座 光滑面光滑面光滑面光滑面1-3 1-3 物体的受力分

24、析和受力图物体的受力分析和受力图物体的受力分析和受力图物体的受力分析和受力图在受力图上应画出所有力,主动力和约束力(被动力)在受力图上应画出所有力,主动力和约束力(被动力)在受力图上应画出所有力,主动力和约束力(被动力)在受力图上应画出所有力,主动力和约束力(被动力)画受力图步骤:画受力图步骤:画受力图步骤:画受力图步骤:3 3、按约束性质画出所有约束(被动)力、按约束性质画出所有约束(被动)力、按约束性质画出所有约束(被动)力、按约束性质画出所有约束(被动)力1 1、取所要研究物体为研究对象(隔离体)画出其简图、取所要研究物体为研究对象(隔离体)画出其简图、取所要研究物体为研究对象(隔离体)

25、画出其简图、取所要研究物体为研究对象(隔离体)画出其简图2 2、画出所有主动力、画出所有主动力、画出所有主动力、画出所有主动力例例例例1-11-11-11-1碾子重为碾子重为碾子重为碾子重为 ,拉力为,拉力为,拉力为,拉力为 ,处光处光处光处光滑接触,画出碾子的受力图。滑接触,画出碾子的受力图。滑接触,画出碾子的受力图。滑接触,画出碾子的受力图。解:画出简图解:画出简图解:画出简图解:画出简图画出主动力画出主动力画出主动力画出主动力画出约束力画出约束力画出约束力画出约束力例例例例1-2 1-2 屋架受均布风力屋架受均布风力屋架受均布风力屋架受均布风力 (N/mN/m),),),),屋架重为屋架

26、重为屋架重为屋架重为 ,画出屋架的受力图。画出屋架的受力图。画出屋架的受力图。画出屋架的受力图。解:取屋架解:取屋架解:取屋架解:取屋架画出主动力画出主动力画出主动力画出主动力画出约束力画出约束力画出约束力画出约束力画出简图画出简图画出简图画出简图例例例例1-3 1-3 水平均质梁水平均质梁水平均质梁水平均质梁 重为重为重为重为 ,电动,电动,电动,电动机重为机重为机重为机重为 ,不计杆,不计杆,不计杆,不计杆 的自的自的自的自重,画出杆重,画出杆重,画出杆重,画出杆 和梁和梁和梁和梁 的受的受的受的受力图力图力图力图。图图图图(a)(a)解:解:解:解:取取取取 杆,其为二力构件,简杆,其为

27、二力构件,简杆,其为二力构件,简杆,其为二力构件,简称二力杆,其受力图如图称二力杆,其受力图如图称二力杆,其受力图如图称二力杆,其受力图如图(b)(b)取取取取 梁,其受力图如图梁,其受力图如图梁,其受力图如图梁,其受力图如图 (c)(c)若若若若这样画这样画这样画这样画,梁梁梁梁 的受的受的受的受力图又如何改动力图又如何改动力图又如何改动力图又如何改动?杆的受力图能否杆的受力图能否杆的受力图能否杆的受力图能否画为图(画为图(画为图(画为图(d d)所示所示所示所示?例例例例1-41-41-41-4 不计三铰拱桥的自重与摩不计三铰拱桥的自重与摩不计三铰拱桥的自重与摩不计三铰拱桥的自重与摩擦,画

28、出左、右拱擦,画出左、右拱擦,画出左、右拱擦,画出左、右拱 的受力图与系统整体受力的受力图与系统整体受力的受力图与系统整体受力的受力图与系统整体受力图。图。图。图。解:解:解:解:右拱右拱右拱右拱 为二力构件,其受为二力构件,其受为二力构件,其受为二力构件,其受力图如图(力图如图(力图如图(力图如图(b b)所示所示所示所示取左拱取左拱取左拱取左拱ACAC,其受力图其受力图其受力图其受力图如图(如图(如图(如图(c c)所示所示所示所示系统整体受力图如系统整体受力图如系统整体受力图如系统整体受力图如图(图(图(图(d d)所示所示所示所示考虑到左拱考虑到左拱考虑到左拱考虑到左拱 在三个力在三个

29、力在三个力在三个力作用下平衡,也可按三力作用下平衡,也可按三力作用下平衡,也可按三力作用下平衡,也可按三力平衡汇交定理画出左拱平衡汇交定理画出左拱平衡汇交定理画出左拱平衡汇交定理画出左拱 的受力图,如图(的受力图,如图(的受力图,如图(的受力图,如图(e e)所所所所示示示示此时整体受力图如图此时整体受力图如图此时整体受力图如图此时整体受力图如图(f f)所示所示所示所示讨论:若左、右两拱都讨论:若左、右两拱都讨论:若左、右两拱都讨论:若左、右两拱都考虑自重,如何画出各考虑自重,如何画出各考虑自重,如何画出各考虑自重,如何画出各受力图?受力图?受力图?受力图?如图如图如图如图(g g)(h h

30、)(i i)例例例例1 1 1 15 5 5 5不计自重的梯子放在光滑不计自重的梯子放在光滑不计自重的梯子放在光滑不计自重的梯子放在光滑水平地面上,画出梯子、水平地面上,画出梯子、水平地面上,画出梯子、水平地面上,画出梯子、梯子左右两部分与整个系梯子左右两部分与整个系梯子左右两部分与整个系梯子左右两部分与整个系统受力图。图统受力图。图统受力图。图统受力图。图(a)(a)解:解:解:解:绳子受力图如图(绳子受力图如图(绳子受力图如图(绳子受力图如图(b b)所示所示所示所示梯子左边部分受力梯子左边部分受力梯子左边部分受力梯子左边部分受力图如图(图如图(图如图(图如图(c c)所示所示所示所示梯子右边部分受力梯子右边部分受力梯子右边部分受力梯子右边部分受力图如图(图如图(图如图(图如图(d d)所示所示所示所示整体受力图如图(整体受力图如图(整体受力图如图(整体受力图如图(e e e e)所示所示所示所示提问:左右两部分梯子在提问:左右两部分梯子在提问:左右两部分梯子在提问:左右两部分梯子在A A处,绳子对左右两部分处,绳子对左右两部分处,绳子对左右两部分处,绳子对左右两部分梯子均有力作用,为什么在整体受力图没有画出梯子均有力作用,为什么在整体受力图没有画出梯子均有力作用,为什么在整体受力图没有画出梯子均有力作用,为什么在整体受力图没有画出?

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