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文檔簡(jiǎn)介
2.1彈簧下懸掛一物體,彈簧靜伸長(zhǎng)為8。設(shè)將物體向下拉,使彈簧有靜
伸長(zhǎng)花,然后無(wú)初速度地釋放,求此后的運(yùn)動(dòng)方程。
解:設(shè)物體質(zhì)量為彈簧剛度為上,則:
mg=k8,即:co=Qk1m=Jg/b
取系統(tǒng)靜平衡位置為原點(diǎn)x=0,系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為:
mx+kx=0
=26(參考教材P14)
x-=0
I0
解.得:x(t)=25COSOt
2.2彈簧不受力時(shí)長(zhǎng)度為65cm,下端掛上1kg物體后彈簧長(zhǎng)85cm。設(shè)用手
托住物體使彈簧回到原長(zhǎng)后無(wú)初速度地釋放,試求物體的運(yùn)動(dòng)方程、振幅、
周期及彈簧力的最大值。
解:由題可知:彈簧的靜伸長(zhǎng)=0.85-0.65=0.2(/?!)
所以:①〃==J謔=7?ad/s)
取系統(tǒng)的平衡位置為原點(diǎn),得到:
△
系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為:x+co2%=0
n
其中,初始條件:卜(°)二口2(參考教材P14)
x(0)=0
所以系統(tǒng)的響應(yīng)為:%(。=-0.2coscot(m)
n
彈簧力為:F=kx{t}==—cos(ot(N)
kn
因此:振幅為0.2m、周期為巴(s)、彈簧力最大值為IN。
7
△
2.3重物機(jī)懸掛在剛度為Z的彈簧上并處于靜平衡位置,另一重物巴從高
12
度為0處自由落到機(jī)上而無(wú)彈跳,如圖所示,求其后的運(yùn)動(dòng)。
1
解:取系統(tǒng)的上下運(yùn)動(dòng)X為坐標(biāo),向上為正,靜平衡位置為原點(diǎn)x=0,則
當(dāng)機(jī)有1位移時(shí),系統(tǒng)有:
E=—(m+m)x2
1
T22
1
U=_kx2
2
由d(E+U)=0可知:(m+m)x+kx=0
T12
即:co-Jk/S]+m)
系統(tǒng)的初始條件為:°
X
0m+m
12
(能量守恒得:m2gh=^mi+m^)
因此系統(tǒng)的響應(yīng)為:x(t)=Acoscot+Asincot
0n1n
2ghk.,、,、
即:2(1)=色(cos3(-------sm①t)
knm+m
12
2.4一質(zhì)量為相、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為/的圓柱體作自由純滾動(dòng),圓心受到一彈簧女
約束,如圖所示,求系統(tǒng)的固有頻率。
解:取圓柱體的轉(zhuǎn)角e為坐標(biāo),逆時(shí)針為正,靜平衡位置時(shí)。=0,則當(dāng)相有
0轉(zhuǎn)角時(shí),系統(tǒng)有:
E=£702+;m(6r》=;(/+mr^)92
1.
U=5秘r)2
由d(£/+U)=0可知:(/+m/2)0+krzQ=0
即:①=/(/+m『2)(rad/s)
2.5均質(zhì)桿長(zhǎng)L、重G,用兩根長(zhǎng)h的鉛垂線掛成水平位置,如圖所示,試
求此桿相對(duì)鉛垂軸OO微幅振動(dòng)的周期。
2.6求如圖所示系統(tǒng)的周期,三個(gè)彈簧都成鉛垂,且k=2k,k=ko
2131
解:取機(jī)的上下運(yùn)動(dòng)%為坐標(biāo),向上為正,靜平衡位置為原點(diǎn)1=0,則當(dāng)相
有X位移時(shí),系統(tǒng)有:
E=-mx2
T2
I?15kkx
U=—kx2+—kx2=—kX2(其中:k=——3—2—)
22i6ik+k
12
5
由d(£/+U)=0可知:mx+-kx=0
即:(rad/s),T=2兀(s)
2.7如圖所示,半徑為r的均質(zhì)圓柱可在半徑為R的圓軌面內(nèi)無(wú)滑動(dòng)地、
以圓軌面最低位置O為平衡位置左右微擺,試
導(dǎo)出柱體的擺動(dòng)方程,求其固有頻率。
解:設(shè)物體重量卬,擺角坐標(biāo)。如圖所示,逆時(shí)
針為正,當(dāng)系統(tǒng)有。擺角時(shí),則:
02
U=W(R—r)(l—cos0)°W{R-r)_
2
設(shè)(P為圓柱體轉(zhuǎn)角速度,質(zhì)心的瞬時(shí)速度:
V=(/?-r)0=r(p,即:(P=——_0
cr
記圓柱體繞?瞬時(shí)接觸點(diǎn)A?的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為/,則:
A
/二/+匕2=1匕2+L
Acg2gg
E=-I(p2=l(iIKr2)(ZLzIo)2=1—-r)202
T222gr4g
(或者理解為:券國(guó)-,心,轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)的動(dòng)能)
由d(£+U)=0可知:--(R-r)2QW(R-rp=0
T2g+
即:3=[-2,_■(rad/s)
n丫3便一,)
2.8橫截面面積為A,質(zhì)量為m的圓柱形浮
子靜止在比重為丁的液體中。設(shè)從平衡位置
壓低距離X(見(jiàn)圖),然后無(wú)初速度地釋放,若
不計(jì)阻尼,求浮子其后的運(yùn)動(dòng)。
解:建立如圖所示坐標(biāo)系,系統(tǒng)平衡時(shí)%=0,由牛頓第二定律得:
mx+y(Ax)g=0,即:3=,廿£
n\m
[7=7
有初始條件為:
0
所以浮子的響應(yīng)為:xG)=xsin
2.9求如圖所示系統(tǒng)微幅扭振的周期。圖中兩個(gè)摩擦輪可分別繞水平軸。,
1
o轉(zhuǎn)動(dòng),它們相互嚙合,不能相對(duì)滑動(dòng),在圖示位置半徑OA與OB在同
212
一水平線上),彈簧不受力。摩擦輪可以看做等厚均質(zhì)圓盤(pán),質(zhì)量分別為m,
1
mo
解:兩輪的質(zhì)量分別為771,加,因此輪的半徑比為:
12
由于兩輪無(wú)相對(duì)滑動(dòng),因此其轉(zhuǎn)角比為:
0r0
-L=。=j
0r0
2142
取系統(tǒng)靜平衡時(shí)0=0,則有:
1
E=-(-m2+^L(Lm2=-(m+m)r202
T221112222724'12711
1.1I.?
U=-k(r9)2+5k(r0)2=5+k)(r0)2
由d(£+U)=0可知:1(m+m)r202+(k+k)r20=0
1
T22111211
+k
即:co=(rad/s),(s)
nm
2
MW
2.10如圖所示,輪子可繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)轉(zhuǎn)軸的
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為I,輪緣繞有軟繩,下端掛有重量為P
的物體,繩與輪緣之間無(wú)滑動(dòng)。在圖示位置,由水
平彈簧維持平衡。半徑R與a均已知,求微振動(dòng)
的周期。
解:取輪的轉(zhuǎn)角。為坐標(biāo),順時(shí)針為正,系統(tǒng)平衡限=。,則當(dāng)輪子有。轉(zhuǎn)
角時(shí),系統(tǒng)有:
E==1(1+乙2)02
T22g92g
p
由以/丁+。)=0可知:(1+一仙2+=0
9
故=過(guò)
即:(rad/s),T
co
n
2.11彈簧懸掛一質(zhì)量為m的物體,自由振動(dòng)的周期為T(mén),如果在m上附加
一個(gè)質(zhì)量m1,則彈簧的靜伸長(zhǎng)增加/,求當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?/p>
解:△
,4K2m
k=-------
?T
mg=kI
i
kI4n2mI
g=----=-----------
,/m4Tm
ii
△△
2.12用能量法求圖所示三個(gè)擺的微振動(dòng)的固有頻率。擺錘重P,Q)與⑹中
每個(gè)彈簧的彈性系數(shù)為k/2。⑴桿重不計(jì);(2)若桿質(zhì)量均勻,計(jì)入桿重。
⑹(C)
解:取系統(tǒng)的擺角。為坐標(biāo),靜平衡時(shí)。=0
(a)若不計(jì)桿重,系統(tǒng)作微振動(dòng),則有:
1p
E=-(—L2^2
T2、g
U=P^(l-cosO)?Lpg過(guò)2
2
p
由d(E+u)=o可知:_Ae+pze=o
T9
即:①=(rad/s)
n
如果考慮桿重,系統(tǒng)作微振動(dòng),則有:
1
E=-(LL2^2+2)仇=-二十")碎
T2g23£293
U-PgL(l-cos0)+m(1-cos0
L2"+5吟
pm\7a
由如E;+U)=0可知:(—+寸)48+L+=o
T992
即:CD(rad/s)
n
(b)如果考慮桿重,系統(tǒng)作微振動(dòng),則有:
1
E仇+£2)62=-二+巳)訊
T2g23293
rr(P皿、02
u?(+寸)"+16(65^x2
92
Pm、kL
,十木)g+工
即:3(rad/s)
n
(c)如果考慮桿重,系統(tǒng)作微振動(dòng),則有:
E=—(一£2)62+—(—m£2)02=_(_+m6)L202
T2g23'2g3
+5。嚀+共)哈2*2
2.13求如圖所示系統(tǒng)的等效剛度,并把它寫(xiě)成與x的關(guān)系式。
答案:系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程mx+F2+枚履=0
Q2
2.14一臺(tái)電機(jī)重470N,轉(zhuǎn)速為1430r/min,固定在兩根5號(hào)槽鋼組成的簡(jiǎn)
支梁的中點(diǎn),如圖所示。每根槽鋼長(zhǎng)1.2m,重65.28N,彎曲剛度EI=
1.6610sN,Hi2o
⑻不考慮槽鋼質(zhì)量,求系統(tǒng)的固有頻率;
(b)設(shè)槽鋼質(zhì)量均布,考慮分布質(zhì)量的影響,求系統(tǒng)的固有頻率;
(c)計(jì)算說(shuō)明如何避開(kāi)電機(jī)和系統(tǒng)的共振區(qū)。
T-4-y—*1
2.15一質(zhì)量m固定于長(zhǎng)L,彎曲剛度為EI,密度為的彈性梁的一端,如
圖所示,試以有效質(zhì)量的概念計(jì)算其固有頻率。
■;
EI,pm
Lo
WL3/(3EI)
2.16求等截面U形管內(nèi)液體振動(dòng)的周期,阻力不計(jì),假定液柱總長(zhǎng)度為L(zhǎng)。
解:假設(shè)U形管內(nèi)液柱長(zhǎng),,截面積為4,密度為P,取系統(tǒng)靜平衡時(shí)勢(shì)能
為0,左邊液面下降x時(shí),有:
E=-pAlx2
T2
U=pAxxxgxx
由6/(£丁+U)=0可知:pAlx+2gpAx=0
2.17水箱1與2的水平截面面積分別為
…底部用截面為%的細(xì)管連接。
求液面上下振動(dòng)的固有頻率。
解:設(shè)液體密度為P,取系統(tǒng)靜平衡時(shí)勢(shì)能為0,當(dāng)左邊液面下降2時(shí),右
1
邊液面上升2,液體在水箱1與2和細(xì)管中的速度分別為2/也,則有:
2123
%=卻4仇-5)][2+|[p4L>2+l[pA(/
3i+X)]xi??
22
?L\Ah+4+AX2
2i321
32
(由于:h-x?hh+x?hAx=Ax-AxAx=Ax)
121122331122
U=PAxg122..
由d(£『+U)=0可知:附1+})
+x+g(l+=0
232
(rad/s)
2.18如圖所示,一個(gè)重W、面積為A的薄板懸掛在彈簧上,使之在粘性液
體中振動(dòng)。設(shè)丁、T分別為無(wú)阻尼的振動(dòng)周期和在粘性液體中的阻尼周期。
12
試證明:
2兀W£7一~
LI---62-72
gATTN22
并指出N的意義(式中液體阻尼力Fj3。
2.19試證明:對(duì)數(shù)衰減率也可用下式表示3=1ln\,(式中x是經(jīng)過(guò)n個(gè)
nxn
n
循環(huán)后的振幅)。并給出在阻尼比C為0.01、0.1、0.3時(shí)振幅減小到50%以下
所需要的循環(huán)數(shù)。
解:設(shè)系統(tǒng)阻尼自由振動(dòng)的響應(yīng)為以力);
t時(shí)刻的位移為了;t=t+nT時(shí)刻的位移為龍;則:
00w0n
xXeY<Vocos(cot-cp)
—G-=---------------------------------------d-4)------------=區(qū)嗎嗎
xXe-^(t+nT)cos[co(t+nT)-(p]
nn0dd0d
所以有:Ini-=03nT==幾In2?,即:6=Ini-
xndxnx
n1n
當(dāng)振幅衰減到50%時(shí),x=0.5x,即:ln2=ln2Jl一'?
〃o62兀C
1)當(dāng)q=0.01時(shí),〃=11;要11個(gè)循環(huán);
2)當(dāng)q=0.1時(shí),n=\A;要2個(gè)循環(huán);
3)當(dāng)C=0.3時(shí),〃=0.34;要1個(gè)循環(huán);
2.20某雙軸汽車(chē)的前懸架質(zhì)量為m=1151kg,前懸架剛度為k=1.02xl05N
11
/m,若假定前、后懸架的振動(dòng)是獨(dú)立的,試計(jì)算前懸架垂直振動(dòng)的偏頻。
如果要求前懸架的阻尼比,=0.25,那么應(yīng)給前懸架設(shè)計(jì)多大阻尼系數(shù)⑹的
懸架減振器?
2.21重量為P的物體,掛在彈簧的下端,產(chǎn)生靜伸長(zhǎng)§,在上下運(yùn)動(dòng)時(shí)所
遇到的阻力與速度v成正比。要保證物體不發(fā)生振動(dòng),求阻尼系數(shù)c的最低
值。若物體在靜平衡位置以初速度V。開(kāi)始運(yùn)動(dòng),求此后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
解:設(shè)系統(tǒng)上下運(yùn)動(dòng)為X坐標(biāo)系,系統(tǒng)的靜平衡位置為原點(diǎn),得到系統(tǒng)的運(yùn)
動(dòng)微分方程為:
pP
—x+ex+—x=Q
93
系統(tǒng)的阻尼比:一二一-二
2y[mkVI”P(pán)P
系統(tǒng)不振動(dòng)條件為:^>1,即:C22P/M
「力二0
物體在平衡位置以初速度,開(kāi)始運(yùn)動(dòng),即初始條件為:7。_口
0n-o
此時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)為:(可參考教材P22)
1)當(dāng)。〉1時(shí):
12
A二0
2)當(dāng)。=1時(shí):x(t)=Ae-^nt+Ate-3nt,其中:
12=U
20
即:x(t)=ute-^t
o
3)當(dāng)C<1時(shí):x(t)=e-C鄧(Ccost+Csincot)
1d2d
C=0
其中:<d=u/3,即:x(t)=e-C,(Msincot
20a(0d
CO=(0d
<d".
2.22一個(gè)重5500N的炮管具有剛度為3.03xlOsN/m的駐退彈簧。如果發(fā)
射時(shí)炮管后座1.2m,試求:
①炮管初始后座速度;
②減振器臨界阻尼系數(shù)(它是在反沖結(jié)束時(shí)參加工作的);
③炮管返回到離初始位置0.05m時(shí)所需要的時(shí)間。
2.23設(shè)系統(tǒng)阻尼比C=0.1,試按比例畫(huà)出在%=0.5、1.0、2.0三種情況
'n
下微分方程的向量關(guān)系圖。
2.24試指出在簡(jiǎn)諧激勵(lì)下系統(tǒng)復(fù)頻率響應(yīng)、放大因子和品質(zhì)因子之間的關(guān)
系,并計(jì)算當(dāng)C=0.2、co=5rad/s時(shí)系統(tǒng)的品質(zhì)因子和帶寬。
n
2.25已知單自由度系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)其阻力為cv(其中c是常數(shù),v是運(yùn)動(dòng)速度),
激勵(lì)為F=Fsincor,當(dāng)3=3即共振時(shí),測(cè)得振動(dòng)的振幅為X,求激勵(lì)的
0n
幅值F。若測(cè)得共振時(shí)加速度的幅值為A,求此時(shí)的F。
00
2.26某單自由度系統(tǒng)在液體中振動(dòng),它所受到的激勵(lì)為尸二50COSCO/(N),
系統(tǒng)在周期T=0.20S時(shí)共振,振幅為0.005cm,求阻尼系數(shù)。
Qjr
解:由T=°.20s時(shí)共振可知,系統(tǒng)固有頻率為:-=10兀
當(dāng)cof3時(shí),已知響應(yīng)振幅:x=fa,(參教材P30)
nco)
所以:"焉
2.27一個(gè)具有結(jié)構(gòu)阻尼的單自由度系統(tǒng),在一周振動(dòng)內(nèi)耗散的能量為它的
最大勢(shì)能的1.2%,試計(jì)算其結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)。
2.28要使每一循環(huán)消耗的能量與頻率比無(wú)關(guān),需要多大的阻尼系數(shù)。
2.29若振動(dòng)物體受到的阻力與其運(yùn)動(dòng)速度平方成正比,即
F=ax^x<0
d
F=-ax2i>0
求其等效阻尼系數(shù)和共振時(shí)的振幅。
解:實(shí)際上,這是一種低粘度流體阻尼。
設(shè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)為:x(0=Xcos(cor-cp)
=fax^dx
co
-Jn/wa|H(w)|w)(wt-(p)
=卜/WQL[QIH(w)|w(wt-(p)]2[-|H(w)|wAsin(wt
=/w--ax^wiAisin3(co-Q)dt
fo,43
=/w-aw^Xssin3(co力-(p)d力
=-4xA-3W2[2(0)q)-a(0)3(p]
3
CD=4Q%332
d3
CO=8QX3CD2
d3
gar3c02=CTICOX2
3
C=
3兀
2.29
x=Xcos(cor-cp)
*=-coXsin(co1一中)
W=fn/coax2dx+f271/co-ax2dx
C0K/CO
=Jn/?otco2X2sin2(cor-(p)(-cD2Xcos?/一cp))力
f0
+J2兀/3-0132X2sil)2(3,一明(一32XCOS(3%-6)力
71/CD
=gOtX3c02
3
w=w=CKO)X2
Pc
C=8“Xo)
3兀
co=\Fdx=4^/4ctx2dx
ed0
=4p/4ax3jx
/4
=4pZ3CO3cos3(co%-(p)力
0
=gaZ3c02
3
co=co=CKCOZ2
pc
co=-g-OtZCO
e3兀
z=4z
CQCO8az32
2.30KG1II電動(dòng)機(jī)重P,裝在彈性基礎(chǔ)上,靜下沉量為。當(dāng)轉(zhuǎn)速為nr/
min時(shí),由于轉(zhuǎn)子失衡,沿豎向有正弦激勵(lì),電機(jī)產(chǎn)生振幅為A的強(qiáng)迫振動(dòng)。
試求激勵(lì)的幅值,不計(jì)阻尼。
2.31電動(dòng)機(jī)重P,裝在彈性梁上,使梁有靜撓度。轉(zhuǎn)子重Q,偏心距為
eo試求當(dāng)轉(zhuǎn)速為時(shí),電動(dòng)機(jī)上下強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅A,不計(jì)梁重。
2.32一飛機(jī)升降舵的調(diào)整片較接
于升降舵的。軸上(圖T—2.32),并
由一聯(lián)動(dòng)裝置控制。該裝置相當(dāng)于
一剛度為k的扭轉(zhuǎn)彈簧。調(diào)整片轉(zhuǎn)
T
動(dòng)慣量為I,因而系統(tǒng)固有頻率
(D//,但因k不能精確計(jì)
nTT
算,必須用試驗(yàn)測(cè)定①o為此固定升降舵,利用彈簧k對(duì)調(diào)整片做簡(jiǎn)諧激
n2
勵(lì),并用彈簧k來(lái)抑制。改變激勵(lì)頻率3直至達(dá)到其共振頻率0。試以①
1TT
和試驗(yàn)裝置的參數(shù)來(lái)表示調(diào)整片的固有頻率①。
解:設(shè)調(diào)整片的轉(zhuǎn)角為。,系統(tǒng)的微分方程為:
Z0+[k+(k+k)Zap=k_Lysin3t
系統(tǒng)的共振頻率為:co2/JgW.
0I
因此:k=132-(k+k)112
T012
調(diào)整片的固有頻率為:€02CO2
n
MW
2.33如圖所示由懸架支承的車(chē)輛沿高低
不平的道路行進(jìn)。試求w的振幅與行進(jìn)速
度的關(guān)系,并確定最不利的行進(jìn)速度。
解:由題目
2.33
T=七w=—二/2
VTL
y=Ycos^^-t
L
wK=-K(x-y)
wX=KYcos切I
L
w+Kx=KYcos娛%
L
wS2X(s)+O(s)=KyT
(7W)2+s2
X(S)=-----哼-------32=長(zhǎng)
(52+(旃)2)(根2+/0”山
X-^jcsin(2+2(l¥sincot
052+。20)2-〃2n
X="v=--------¥----------=——¥■——=————
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整理
2.34單擺懸點(diǎn)沿水平方向做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)(圖T—2.34),=asint0試求在微
幅的強(qiáng)迫振動(dòng)中偏角的變化規(guī)律。已知擺長(zhǎng)為L(zhǎng),擺錘質(zhì)量為m。
2.35一個(gè)重90N的飛機(jī)無(wú)線電要與發(fā)動(dòng)機(jī)的頻率1600?2200r/min范圍的
振動(dòng)隔離,為了隔離85%,隔振器的靜變形需要多少?
2.36試從式(2.95)證明:
1.無(wú)論阻尼比。取何值,在頻率比3/3=一時(shí),恒有X=A。
n
2.在①/co<J2,X/A隨q增大而減小,而在①/①>6,X/A隨
nn
C增大而增大。
2.37某位移傳感器固有頻率為4.75Hz,阻尼比二0.65。試估計(jì)所能測(cè)量的
最低頻率,設(shè)要求誤差<1%,<2%。
2.38一位移傳感器的固有頻為率2Hz,無(wú)阻尼,用以測(cè)量頻率為8Hz的簡(jiǎn)
諧振動(dòng),測(cè)得振幅為0.132cm。問(wèn)實(shí)際振幅是多少?誤差為多少?
2.39一振動(dòng)記錄儀的固有頻率為f=3.0H2,阻尼比二0.50。用其測(cè)量某
n
物體的振動(dòng),物體的運(yùn)動(dòng)方程已知為
x=2.05sin4t+1.0sin8t(cm)
證明:振動(dòng)記錄儀的振動(dòng)z將為
z=1.03sin(4t-5Oo)+1.15sin(8t-12Oo)(cm)
2.40求單自由度無(wú)阻尼系統(tǒng)對(duì)圖所示激勵(lì)的響應(yīng),設(shè)初始條件為零。
解:
h(t)=_i_e-網(wǎng)/sincot
AWCOad
h(t-T)=_■4—e莒嗎Q-T)sin?)(z—T)]
/neod,d
/z(Z)=_i_sincot
d
/z(z-2)=_i-sin[CD(Z-T)]
〃叫d
dcosco(r-T)=4(coscot)
nRn
=Fp-i-sinco(r-x)J(r-T)
1)2co
Unnn
X(t)=yF(t)h(t-T)di:+r_F⑺力)_1)力=4[coso(t-t)]-^[l-(
01t2Rn\R
z
X(t)=J>F-T)dt+r-F(加〉y靖+j0*力aT)
cl22
0彳,2
=[cosco(t-t)-COSCO〃一耳[COS3(t-t)-COSCO(t-t)]
Rn1nRn2n1
b
尸8)=0,F(xiàn)(Z-T)=^(/-T
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