"Biografía de la Física".George Gamow.
14/11/2024
Si quieres el libro pincha en el siguiente enlace, de lo contrario te dejo mis apuntes:
Prefacio.
Hay ds libros de física: uno de fórmulas y otro de la historia. Este es intermedio.
I.La aurora de la física.
La física se originó en la antigua Gracia, un pastor griego , Madness (magnetismo),observó que el castillo de la punta de su bastón era atraido por una piedra. Y otro pastor frotó ámbar (electricidad) en lana de oveja, atraía trozos pequeños de madera.
La ley pitagórica de las cuerdas.
Pitágoras VI ac, estudió la relación entre las longitudes de las cuerdasen los instrumentos que producen combinaciones armónicas.. El monocordio es una misma cueda sometida a distintas tensiones producida por un peso en su extremo. Con el mismo peso y con las cuerdas reducidas a números sencillos se producne pares armónicos.. 2:1 es octava., 3:2 es quinta, 4:3 cuarta. as relaciones sencilla s forman placer, pero las no sencillas como 137:171, desplace. Para dar un arcorde perfecto, las cuerdas deben estar realcionadas en números sencillos.
Demócrito el atomista.
Hacia 400 ac concibió la idea que los cuerpos son agregados de innumerables partículas no visibles por el ojo humano llamadas indivisibles o átomos. Creyó que había cuatro diferentes de átomos: piedra (pesados y secos), agua(pesados y húmeds), aire (fríos y lgeros) y fuego (fugitivos y calientes). Y lo demás se combinaban (algo correcto en la actualidad).
La filosofía aristotélica.
Aristóteles fue discípulo de Patón y protegido de Alejandro Magno hacia 347 ac. Pero su ideas de los cuerpos celestes sin funadmento matemático hizo mucho daño a la física.
La ley de la palanca de Arquímedes.
De Siracusa, Sicilia,fue el padrede la ciencia mecánica, u siglo depués de Aristóteles.Hijo de un astrónomo pronto se intersó por las mates. Su descbrimiento fue la relación entre la superficie y volumen de una esferay el cilindro que la circunscribe.
Formuló las leyes de estática (equilibrio) y de ahí las leyes de palanca. Intuyó el centro de gravedad. La palanca tuvo tal sensación en aquella época que lo referió Plutarco en su "Vida de Marcelo". Introdujo el importante concepto mecánico de trabajo por medio de una fuerza actuante.
La ley de de los cuerpos flotates, se dio cuenta cuando al meterse en la bañera rebosaba el agua y dedució que "todo cuerpo sólido sumergido en un líquido pierde el peso del líquido deplazado por él".
Con su polea ayudó a trabajos militares así como con su tornilloa aelevar agua.
Cuando los romanos capturaron Siracusa, él estaba con modelos de figuras geométricas raras en el patio de su casa pero éstos lo destruyeron. Dijo "Noli tangere circulos meos " y un soldados los pisó y lo atravesó con una lanza.
La escuela alejandrina.
En Alejandría Euclides escribió sus "Elementos de Geometría", y allí estudió Arquimedes.
Hiparco en el s.II ac observó la posición de las estrellas y catalogó 1.080 de ellas. recisó la formación de equinoccios. Fenómeno del tercer movimiento de la tierra que es inclinado en su eje, que después fue descubrierto por Nwton.
Herón o Hero fue ingeniero inventor. Su libro "Mecanica" tiene afirmaciones exactas con errores matemáticos.Poleas, ruedas dentadas, engranajes... Hizo la "Catóptrica" teoría de espejos y aplicaciones practicas.
Otro alejandrino, Ptolomeo en la primera mitad del s. II ac, hizo "Almagesto" importante añadido al trabajode Hiparco. Y su libro "Öptica" donde explica la refracción de la luz.Las fórmulas matemáticas se harían en el siglo XVII.
a última de nombrar fue Hypatía, profesora de ciencia y filosofía, que trató de proteger la sabiduría griega ante lo cristiano. El obispo cristiano Kirilos de Alejandría en el 415 dc, hizo que despedazaran a Hypatía y destruido los restos de la biblioteca.
II.Edades oscuras y el renacimiento.
Al extinguirse lo griego se detuvo la ciencia en genral y la física en particular. Sólo valía el negocio. Desués del Imperio Romano sólo en lasabadías y monasterios eran centros intelectuales. El sistema Ptolomeico del geocentrismo se tomó igual que el centro del mundo estaba en el Vaticano. La Inquisición cuidó de aplastar cualquier desviación de la línea general de la creencia religiosa.
El mundo griego tuvo refugio en el rey musulmán del s.VII por todo el mediterráneo. Haroun Al-Raschid el de "LAs mil y una noches" fundó en Bagdag una escuela de cienciasy en Córdoba se convirtía en centro cultural a´rabe en Europa.. Los erúditos árabes tadujeron textos griegos que quedaron y mantuvieron la bandera de la ciencia. Desarrollaron el álgebra e introdujeron los numeros arábigos más fáciles para el cálculo que los romanos. Nada de física y mucha astrología y alquimia.
En el s XII desaparece lo árabe por Genhis Khan por una parte y las Cruzadas por otra.
En 748 Carlomagno, del Imperio franco, decretó que todas las abadías tenían que tener escuelas agregadas y en 1100 fue fundada la uni de París, y poco después Bolonia, Cambridge y Oxford. El curso coriente consistía en el trivium:gramática latina, retórica y lógica y el quadrivium:aritmétca, geometría, música y astronomía. Todo supervisado por el Papa
Uno de los factores para difundir los conocimiets fue la invención de la imprenta de Futsen de Mainz, y de allí salieron obras como"De revlutionibus Orbitum Coelestium" de Copérico en 1543. Para que lo proibiese la igleia hizo una intoducción Copernico que eran hipotéticas.
Elocuencia y leyes de Keppler.
En 1596 se escribe "Mysterium Cosmographicum" de Kepler donde se dan las leyes fundamentales delos movimientos planetarios. Se lo dedicó a un grupo de nobles alemanes que lo ayudaron.
"Mi tema no satisfará a todo el mundo porque su utilidad no será evidente a los irreflexivos".
Discípulo de un danés Tycho Brahe y estudioso de Euclides, Keplero encontró que las órbitas de los planetas no son circulares sin parábola e hipérbola.
La cadena de Stevinus.
Mientras Keplero se interesaba arriba, abajo lo hacía el ingeniero flamenco Simon Stevinus con la ampliación de "Estática " de Arquímedes. Su cadena sin fin dicta: La fuerza de gravedad que actúa sobre un plano inclinado en la dirección de este plano es directamente proporcional al seno del ángulo de inclinación.
El péndulo.
El honor de dar los primeros pasosen Dinámica (movimiento de los cuerpos materiales ) fue el hijo de un noble empobrecido, Vizenzio Galilei que le gustaban las matemáticas y que lo delegó en su hijo Galileo la carrera de médico. Pero no vio excitante la disección de los cuerpos..
Un día en una misa se quedó observando una lámpara que se había puesto en movimiento por el sirviente que encendió las velas. Vio que las sucesivas oscilaciones eran más cortas. CAlculo el tiempo de las oscilaciones, y descubrió que aunque las oscilaciones eran más cortas el tiemo era el mismo. No resolveria os cálculos porque lo tendrían que hacer después ewton y Einstein.
Las leyes de la caida.
Hizo caer por la torre de Pisa, piedrs y por un plano inclinado, y en el agua.La distancia recorrida es proporcional al cuadrado de dicho tiempo. Este enmarñado sin fórmla fue escrito por Thomas Salisbury en 1632 y traducido al inglés en 1661. Fue la primera fórmula de caida libre y de cálculo integral :v=axt.
Otro de la contribución fue el movimiento parabólico o tiro parabólico.
Un barco es imposible saber si está anclado o moviendose medinate experimentos en la cabina es el principio de "relatividad de Galileo" que tres isglos después lo haía Einstein con la óptica y el electromagnnetismo.
Galileo el astrónomo.
"Nadie sostendraá que la Naturaleza ha cambiado siempre para hacer aceptables sus obras al hombre".
Le llegó noticias que un holandés (Hans Lipperhey construyó un instrumento óptico , el "vidrio para espiar", en la batalla con los españoles), que con su ayuda objetos distantes se veían a un palmo de la mano ). Jacob Badovere francés fue la razón para que Galileo indagara y construyera uno igual.
En su estudios con el telescopio, vio que las estrellas se movían entorno a Júpiter como Venus y Mercuirio en torno al Sol. Verificó lo de Copernico y fue detenido y sometido a ineterrogatorios por la Santa Inquicisión. El 22/6/1633 con 69 años fue llevado a los jueces de Santo Oficio, y puesto de rodillas confesó. Fue confinado en su villa de Arcetri cerca de Florencia lo que llamamos ahora "detención domiciliaria". El 8/1/1642 completamente ciego y cansado de la vida, Galileo murió.
III.Dios dijo:"Que Newton sea".
Muriendo Galileo nacía Newton. Ya en la uni tuvo que marcharse a su casa por la peste. 18 meses los más fecundo de su vida diría. A comienzos de 1665 descubrío a teoría del binomio, el método de las tangentes, el cálculo diferncial(las fluxiones), y el año siguiente la teoría de colores, el método inverso de as fluxiones (alcluo integral) y a pensar en la gravedad. El resto de su vida lo consagró a esas ideas.
Se enfrentó a todos A Hooke, (elasticidad y resortes), Leibnitz (respecto ala invención del cálculo), Hyugens (sobre la luz).
Los "Principia" de Newton.
Primero define masa , momento inercia y fuerza y después sus tres leyes: Inercia ( sumas F=0) , F=ma (ley fundmental de la dinámica), F1=-F2 (acción reacción).
Com todoesto derivó en su ley de universal de la gravedd don todo cuerpo atrae una fuerza directamente proporcional a sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos.
Así explicó los equinoccios de Plutaro, las mareas y la dinámica de fluidos y de sólidos.
Estática y dinámica de fluidos.
La ley de fluidos la empezó Pascal (que siguió lo de Arquímedes), la siguió Newton y la terminó Bernouilli.
Óptica.
Con 23 años compró un prima de cristal para estudiar los fenómenos de los colores. Pero un vela encendida quemó sus estudios de 20 años ??? Creó el espectroscopio, descompuso la luz en sus colores y explicó el arco irirs cuando la nube era cirros. Al tener distintos coores tenía distinta refrangibilidad.
Construye un telescopio de reflexión.
Descuber los anillos cuando una lente convexa se apoya en una superficie de cristal.
Se opuso a la teoría ondulatoria de la luz. Decía que la luz estaba compuesta de una corriente de artículas que se pricipitan a gran veloidad. Inventó una teoría de los fits (espromos) de fácil reflexión y transmisión, para explicar sus anillos de interferencia.
Sobre la propagación de la luz.
Huygens 13 años mayor que Newton, consideró la propagación de ondas en el agua ,aire o éter (vehículo de ondas de luz), basaba sus argumentos en un sencillo experimento con una piedra en un estanque. Cada punto del frente de onda que se propaga puede ser considerado como nueva fente de onda u ondita la nueva posición del frente de onda es el envolvente común de esas onditas.
También explicó la refracción de la luz con este experimento.
El triunfo de la teoría ondulatoria de la luz.
La teoría ondulatoria de Huygens no fue considerada por Newton por su autoridad. Pero Thomas Young con sel sonido explica los anillos de Newton con su contemporáneo Augustin Jean Fresnel y gaó huygens des pués de muetro esta disputa con Newton.
Un cristal de Islandia.
Ni Newton ni Huygens resolvieron la polarización de la luz. Pero el filósofo danés Erasmus Bartholin descubrió que el espato de Islandia divide los rayos en dos. Fue la demostración de Huygens. Etienne Malus demostró que la luzes la propagación de onas en l espacio, pero las vibraciones del medio no se producen en la propagación del medio sino perpendicular como pensaba Huygens. Por tanto el éter es sólido. El enigama del éter lo resolvío Einstein quitándolo del medio.
IV.El calor como energía.
El primer intrumento científico par amedir la temperatura lo hizo Galileo 1592 con un frasco de cristal de cuello muy largo y fino lleno de agua coloreada y colocado al revés de un tazón de agua coloreada.. Con los cambios de temperatura el aire se dilataba o contraía. Pero no introdujo una escala de temperaturas, sería más un termoscopo que termómetro. La modificación la hizo Ray en 1631 que el enfriamiento y calentamiento eran registrado por la ex pansión de agua. En 1635 e duque Fernando de Toscana hizo un tubo con alcohol, pero cerrado para que no se escapara. Posteriormente en 1640 los científicos de la academia de Lincei contruyeron el prototipo con mercurio y eliminando el aire. Es curioso que se tardó un siglo.
La ley de los gases.
Robert Boyle contemporaneo de Newton estudiaba las propiedades mecánicas del aire y otros gases. Al conocer la plomada de aire de Otto von Guericke, Boyle lo perfeccionó para medir el volumen del aire a altas y bajas presiones. y creo su ley: el volumen de cualquier gas a una temperatura es inversamente proporcional a la presión sometida. Gay Lussac 100 años después descubrió que la presión en un volumen aumenta 1/273 de su valor inicial por cada grado de temperatura, pero eso fue descubrieto dos años antes por Jacques Charles y por eso se le llama ey Charles.
Termómetro de gas y temperatura absoluta.
Cuando el termometro tiene gas como el de Galileo, da igual gas que se use. Pero para distintos gases varían .Por eso la versión moderna está fundada más en la presión que en el volumen de gas. Pero en el cero absoluto todos se comportan igual y casi por culpa de los gases nobles.
El fluido calor.
El primero que habló del calor como una entidad física fue James Black. Un fluido calórico que aumentaba al aumentar su temperatura. definió la unidad de calor como la cantidad necesaria para elevar 1 libra de agua 1 grado farenheit (actualmete la caloría esla cantidad de calor que eleva la temperatura de un gramo de agua en un grado cent´grdo). Y que pesos iguales de diferentes materias, calentados a la misma temperatur contienen diferentes "calóricos". Esto lo llevó a la capacidad calorífica.
Sadi Carnot estableció la analogía entre calor y un fluido.
El calor es movimiento.
La idea que el calor es un movimiento interior y no una sustancia se le ocurrió a un soldado; Benjamín Thompson. Al ver que el cañón se calentaba mucho. Midió la cantidad calorífica de un bloque de metal y de virutas del mismo y encontró lo mismo. Y pesó el cuerpo frío y caliente y pesaba lo mismo. En su estudio predijo que una caloría no podía pesar más de 0,000013 miligramos, y ahora lo sabemos por la ecuación de Einstein. (el peso de una caloría es 0,0000000000mg), por eso le llevó a que era una sustancia en movimiento.
Equivalente mecánico del calor.
Julius Robert Mayer en una fábrica de papel hizo un experimento, donde la pulpacontenida en una gran calderaera removida por un mecanismo y la fuerza de un cabalo. Midiendo la elevación de temperatura de la pulpa obtuvo una cifra para la cantidad de calor producida por el trabajo del caballo. pero no le echó mucha cuenta a esto hasta que llegó James Prescott Juole. El inglés usó una vasija llena de agua con paletas batitoras dentro movidas por una polea y el trabajo era transformado en rozamiento, produciendo calor. Vió que hay proporcionalidad directa entretrabajo realizado y calor producido. A partir de entonces la energía mecánica se transforma en témica y la témica en mecánica. (El esfuerzo da su resultado...)
Termodinámica.
Ya hecha la primera ley de termodinámica, el alemán Rodolph Clasius y el físico inglés Lord Kelvin, se pusieron manos a la obra.
Por la experincia diaria sabemos que la transmisión de calor es de los calientes a los fríos y no viceversa. Es la segunda ley. Introduce el concepto de entropía (calor recibido o perdido). También la segunda ley se puede definir como S(entropía) en un sistema aislado (sin estar en contacto mecánico por lo tanto calorífico) o aumenta o permanece constante.
La presión del vapor sobre la superficie cóncava de un líquido es menor que sobre la superficie plana.(y mayor si esconvexa).
Cuando un gas está en una vasija se producen dos efectos: 1)más moléculas chocan contra esas paredes por segundo, 2)la fuerza de cada impacto aumentará. La ley de la poroporción inversa del volumen y presión de Boyle.
La temperatura absoluta es simplemente la medida de la enegía del movimiento térmoco de las moléculas.
En el caso d de un gran númeo de partículas de dos o más diferentes masas, la energía cinética media por partícula sigue siendo la misma.
En un recipiente con un tabique donde haya un gas frío en un sitio y un gas caliente en otr, al quitar el tabique el caliente mueve a las frías (choca con ellas) hasta llegar a mitad de temperatura.
Por ello en los procesos naturales el movimiento organizado de las moléculas tienen tendencia a convertirse en desorganizado o sin orden ni concierto. Ley de entropía creciente.S=Q/T.(caloría /temperatura ó W/t)
La probabilidad de un suceso compuesto está dado por el producto delas probabilidades de los sucesos individuales que está compuesto. La entropía varía como el logaritmo de la probabilidad (P) con k coeficiente Boltzmann. S=k logP
El demonio de Maxwell.
Imaginar un demonio que manejas moléculas de gas como pelotas de tenis. Nos sirve para vencer la ley de la entropía. Pero el demonio causaría errores seguro.
Movimiento térmico microscópico.
Perrin dio las pruebas de la teoría cinética del calor. La teoría estadística del calor o física estadística se puede comparrrara ala newtoiana en punto a claridad y erfección.
Movimiento térmico y propagación del sonido.
El sonido son ondas de comprensión que se propagan en el aire y otros materiales. La velocidad del sonido es independiente de la densidad del aire pero depende de la temperatura proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta.
El aire tiene velocidad que aumeta con la temperatura. Cuando la velocidad del objeto que produce la comprensión del gas supera la del movimiento témico es distinto, hay un aumento de densidad y se crea onda de choque.
Emisión de luz por cuerpos calientes.
Los cuerpos se hacen luminosos al calentarlos a una temperatura muy alta. La radiación que emite es más intensa y más rica en longitudes de ondas cortas. Esta luz está sjeta a dos leyes:1)ley de Wien :la longitud de onda correspondiente al máximo de intensidad en el espectro es inversamente proporcional a la temperatura de cuerpo caliente emisor y la ley de Stefan-Boltzmann la cantidad total de energía emitida por un cuerpo caliente es proporcional a la cuarta potencia d e su temperatura.
Emisión de luz por los gases calientes.
Lo anterior es materiales sólidos o líquidos, pero en el caso de luz emitida por gases caliente varía. Y emiten luz con longitud de onda seleccionada (dependiendo del gas que quememos). ¿Por qué pasa una cosa con el líquido-sólido y otra cosa con el gas? Los átomos se pueden comparar como u instrumento musical que vez de emitir onda musical lo hacen luminosas. Al ser excitados (alta temperatura) emiten longitud de onda. Esto hace que sea un estudio que nos haga encontrar la composición química simplemente viendo la luz de su vapor. En los sólidos-líuidos pierden sus propiedades de tono puro, están empaquetados y no se hace ver su caracteristica como los hacen los gases.
Absorción de la luz.
Kirchoff descbrió que todas las sustancias absorben las mismas frecencias de luz que pueden emitir.
Las rayas negras que quedan entre los colores del arcoiris que son las rayas de Fraunhofer comprueba lo que viene antes.
V. La edad de la elecricidad.
Primeros descubrimientos.
Gilbert hizo bolitas de magnetita descubrió que la tierra es una gran brújula. Después lo desarrolló matemáticamente Gauss.
Du Fay descubrió que hay dos clases de electricidad : una al frotar ámbar co y al frotar vitreos como cristal o mica. Se les llamó "resinoso y vítreo".También descubrió que dos cargas positivas o negativas repuelen y dos distintas se atraen. PAra experimentos se utilizaron el electrscopio de pan de oro, la botella de Leyden y Franklin dio cátodo (negativo) y ánodo (positivo).
Ley de la fuerza elécticas y magnéticas.
Coulomb creó su ley de repulsión y atracción entre dos cargas son directamente proporcional al cuadrado de cargas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias. Con esta se ley se definió la unidad electrostática de carga. (el culombio). También demostró la misma ley para el magnetismo.
Animales que daban calambre como águila electirca o Galvani que hizo mover la pata de rana por una descarga, era una descarga qu edescubrió Volta. Llamó a este fenómeno galvanismo e hizo la pila. Y la unidad de potencial eléctrico o grado de electrización se le llamó voltio.
Electromagnetismo.
Los primeros investigadores sabían que había relación pero no pudieron demostralo. Oerste denchufó na pila de Volta a una brújula y lo demostró. Ampere lo formuló matemáticamente, como corriente eléctrica y su unidad el amperio es un columbio por segundo en un alambre.
Ohm descubrió la resistencia, la fuerza de la corriente es a la diferencia de los potenciales e inversamente a la resistencia.
Descubrimiento de Faraday.
Faraday trabajó en una librería de Mr. Riebau y se leyó muchos, aparte de enseñarlo a encuadernar. Leyendo descyubrió a Galvani y a Volta descubrió la electrilosis (descomposición química a través de la corriente eléctrica). Y le llevó a sus dos leyes: 1)Para una dada solución la cantidad de mataria depositada (o liberada) sobre los electrodos es proporcional a la cantidad total de electricidad (fuerza por tiempo) que pasa a través de la solución, y 2)los iones monovalentes de sustancias diferenctes transportan también la igual cantidad de electricidad mientras que los iones bi-tri...etc valentes transportan cargas correspondientemente mayores.
También investigó no la relación entre electricidad y magnetismo sino con la óptica.. Descubrió la rotación del plano de polarización de la luz en un cmpo magnético.. Por tanto descubrió la relación entre ondas de luz, ondas electrománéticas y las corrientes de los átomos individuales. Lo intentó con la fuerza gravitatoria. Quería hacer el campo unificado. Y después lo intentó Eisntein.Ambos murieron sin conseguirlo.
Campo electromagnético.
Aunque FAraday no sabía matemáticas, muchas veces saberlas es bueno y malo para desarrollar una teoría. Estas teorías de que a una distancia habían fuerzas desarrollaron campos de fuerzas o campos. Esto lo dio Maxwell, que era un gran matemático.
Mawwell vio qu el campo electromagnético es perpendicular a una corriente eléctrica, y Hertz lo dio como una onda.. MAxwell para sus ecuaciones usó unidades electrostáticas para el campo eléctrico y unidades elcetromagnéticas para su campo. Y la propagación de esta ondas dio el mismo resultado que la luz y de aquí la teoría electromagnética de la luz.
VI.La revolución relativista.
La crisis de la física clásica.
Einstein tiró por la borda el éter y dio campo electromagnético para cualquier maerial ordinario.
La velocidad de la luz.
GAlileo intentó medirala, después lo intentó Fizeau. Pero éste sólo lo pudo calcular en el aire, fue su colega Huygens quien lo hizo para toda la materia y distintos estados.
La velocidad de la luz en un medio en movimiento.
Fizeau demostró que la velocidad de la luz en agua quieta era menor que en el agua en movimiento y esto no imaginaba lo que significaba hasta qu e llegóEintein.
La velocidad de la luz en tierra en movimiento.
Michelson y Morley hicieron el mismo experimento que Fizeau pero en un viaje redodndo de la luz (en la tierra) y por tanto tenía modificaciones distintas a tubos de agua rectilíneos como los de Fizeau. Pero no hubo cambios hasta que Fitzgerald sugirió que todos los cuerpos tienen una contracción al moverse en la velocidad de a luz.
Relatividad del movimiento.
Newton hablaba de un espacio y tiempo absolutos, pero esto es para la tierra inmóvil. Está claro que sucesos que ocurren en el mismo sitio pero en diferentes tiempos, acontecen en distintos lugares si son observados desde otro sitio que se mueve respecto al primero o viceversa. El tiempo se dilata.
Mecánica Relativista.
La dilatación (o contracción del tiempo) cuando se observa desde un sistema en movimiento (o viceversa) obliga a un cambio primero en el espacio y después en la dinámica. Son las transformaciones de Lorentz. Y por tanto la masa no queda igual.
La equivalencia masa-energía.
Einstein tenía que hacer ago para mantener la realidad física de las ondasluminosas y ondas electromagnéticas, ya que se deformaban y creó la fórmula y con eso estaba todo arreglado.
Es imposible detectar la cantidad de masa perdida entre un vaso de agua fría y otro caliente. Pero en poca masa hay mucha energía (en lo atómico), y en mucha masa poca energía (en lo material).
El mundo de cuatro dimensiones.
Minkowski después de Einstei llegó a la conclusión que el tiempo es la cuarta coordenada (ct) en unidades imaginarias "i", convenientes en cálculos pero no se ve. La gráfica sería como un cono:
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