¿El centro de gravedad es movido por un avión que viaja a "altas velocidades"?

La siguiente cita es del libro de G. Bristol, Ace the Technical Piloting Interview:

[El] movimiento del centro de gravedad se debe a un cambio de peso. La distribución del peso de la aeronave puede cambiar por tres razones y, por lo tanto, hacer que el centro de gravedad se mueva. Las tres razones para un cambio en el peso de la aeronave son:

  1. Quema de combustible
  2. Movimiento de Pasajeros
  3. Altas velocidades*

*Nota. Esto es así porque cuanto mayor es la velocidad, mayor es la sustentación creada. Para mantenerse recto y nivelado, la aeronave adopta una actitud de morro hacia abajo, lograda mediante la creación de sustentación en el plano de cola. Este elevador reduce efectivamente el peso de la sección del plano de cola de la aeronave.

Me sorprendió leer que el centro de gravedad (CG) cambia con "Altas velocidades". Tal como lo entiendo, el estabilizador horizontal produce una fuerza hacia abajo para contrarrestar el momento sobre el CG producido por la sustentación que actúa a través del centro de presión.

Aunque la adopción de una actitud de morro hacia abajo a velocidades más altas para mantenerse recto y nivelado tiene sentido debido al aumento de la velocidad (suponiendo ρ ).

Pero todavía estoy luchando con la oración: "Este elevador reduce efectivamente el peso de la sección del plano de cola". Simplemente no puedo ver cómo la velocidad podría cambiar el CG real.

¿Cambia el CG real a "altas velocidades"?

(Aunque entiendo que la aerodinámica es universal para todos los aviones, si hay diferencias en la discusión entre los aviones ligeros en comparación con los turbopropulsores y los aviones de pasajeros, preferiría que la discusión fuera más hacia este último, gracias)

Quizás más gramática que la física, la "razón de un cambio" implica mover el CG para reequilibrarlo con fuerzas aerodinámicas. El traslado de la tripulación se realizaba comúnmente en aeronaves para recortar.
@RobertDiGiovanni Por lo menos, la oración "este elevador reduce efectivamente el peso de la sección del plano de cola de la aeronave" es una tontería, aunque el recorte a veces se realiza mediante redistribución masiva. Es un non-sequitur porque el centro de gravedad está determinado por el peso real, que no cambia como resultado de las fuerzas aerodinámicas en el plano de cola.
Como tecnicismo, cualquier cosa que aplique una fuerza a la aeronave puede causar que se doble, lo que movería el CG. Me sorprendería si las fuerzas de arrastre de alta velocidad lo movieran significativamente, pero técnicamente tiene un efecto.
@CortAmmon Esta sería otra forma de responder la pregunta planteada por el título sin abordar los problemas sobre los que tedioustortoise pregunta en el cuerpo de la pregunta. Sin duda, alguien pronto señalará que si el avión se mueve a altas velocidades, también lo hace su CG.
@sdenham y por eso fue un comentario en lugar de una respuesta.
@CortAmmon De hecho, es por eso que escribí "sería" ... Es posible que me haya vuelto hipersensible a cualquier cosa que pueda interpretarse como una sugerencia de que el argumento citado en la pregunta es de alguna manera razonable.

Respuestas (6)

Cambiar las fuerzas aerodinámicas en cualquier parte de la aeronave NO PUEDE cambiar la distribución de masa dentro de la estructura de la aeronave. El centro de masa (también conocido como centro de gravedad) SOLO se puede cambiar moviendo la masa dentro de la estructura (o agregando/eliminando masa), y permanece constante a menos que lo haga. La aerodinámica no tiene (NO PUEDE) tener nada que ver con eso. Ni siquiera cambia si mueves el avión a otro planeta, o al espacio, en caída libre, donde "no" hay gravedad.

Ahora, aunque esto solo puede confundir el punto básico aquí, es cierto que si hace algo que requiere redistribución de masa (ya sea combustible, carga, pasajeros, lo que sea), entonces esa redistribución de masa ( si / cuando ocurra ) cambiará. el GC, sin embargo, es la redistribución en masa, y sólo la distribución en masa, la que puede provocar directamente un cambio en el GC.

Cualquier acción que realice que requiera o requiera una redistribución masiva no puede cambiar por sí misma el GC.

Esto obtiene mi voto a la mejor respuesta, pero ¿puedo proponer una reformulación del último párrafo, que tuve que volver a leer? Creo que lo que estás diciendo es algo así como "Cierto, si haces algo que realmente redistribuye la masa, entonces puedes cambiar el CG, pero incluso si una acción que realizas crea la necesidad de redistribuir la masa, no significa que la acción tenga". sí mismo cambió el CG". Mis disculpas si no estoy siendo claro o he entendido mal su intención aquí.
" las fuerzas aerodinámicas […] NO PUEDEN cambiar la […] estructura de la aeronave. " - bueno, podrían, al romper la aeronave :)
¡Ja! si, en ese punto tienes razon.
@sdenham, No, en realidad, quise decir exactamente lo que escribí. Si lo expresa de la manera que sugiere, estaría combinando las dos cosas. ¿Cómo puedes " Hacer algo que realmente redistribuya la masa ..." sin redistribuir la masa? Abundan los ejemplos y se mencionan en algunas de las otras respuestas, pero en todos los casos, es la distribución masiva real (si ocurre/cuando ocurre), lo que cambia el CG, no la acción que requiere la redistribución masiva.
@CharlesBretana Claramente, mi intento de reformular fracasó en mi objetivo de ser inequívoco, pero siento que aquí hay una preocupación. Tal vez sea solo yo, pero cuando leí por primera vez la última cláusula, pensé que alguien podría estar en desacuerdo así: "pero si hizo algo que requirió una redistribución masiva (de una manera que cambia el CG), entonces esa primera acción causó el cambio de GC " . Este sería un uso válido de 'causa', y la cadena de causalidad es a menudo importante (por ejemplo, en el análisis de accidentes), pero del pasaje citado en la pregunta está claro que no es de eso de lo que está hablando el autor del libro. .
@CharlesBretana ... WRT "si hace algo que requiere redistribución de masa ... entonces esa redistribución masiva cambiará el CG": la redistribución masiva no necesariamente cambia el CG, aunque bien puede hacerlo. Pensé que estabas señalando que solo la redistribución de masa puede cambiar el CG (¡dejando de lado los cambios asimétricos en el campo gravitatorio!), Por lo tanto, para cambiar el CG, en realidad (como en 'nada más será suficiente') tienes que redistribuir la masa . ¡Claramente, mi cambio propuesto fracasó por completo en dejar algo claro!
@sdenham, no estoy seguro de estar leyendo su comentario con precisión, pero si está hablando desde la perspectiva de que la cadena de causalidad debe incluir conexiones que solo existen debido a las intenciones de un ser humano, entonces semánticamente, puede que tenga razón, pero , el punto de análisis es aislar la causa directa de los efectos, no las causas indirectas que están a cinco, o tres, o incluso a una sola conexión de distancia... Esto, creo, es cierto especialmente cuando las conexiones intermedias no son absolutamente necesarias. , pero debe requerir que ocurra algún otro evento independiente para realizar la conexión.
En cuanto a su comentario "la redistribución de masa no necesariamente cambia el CG", bueno, técnicamente eso es cierto, podría, por pura casualidad, mover la masa de tal manera que el CG resultante termine exactamente donde estaba, pero eso sería una casualidad ( y depende de las tolerancias establecidas para su definición de "exacto" ). No vi la necesidad de romper esta excepción... (ya que no vi la necesidad de establecer claramente, cada vez que uso la frase "distribución masiva", que esto también incluye la adición y/o eliminación de masa. )
@CharlesBretana La agencia humana no es un problema aquí; la respuesta hipotética "pero si hizo algo que requirió una redistribución masiva (de una manera que cambia el CG), entonces esa primera acción causó el cambio de GC" sería una cadena válida de causalidad incluso si ambas acciones fueran realizadas por maquinaria automática. Lo que estoy tratando de decir aquí es que si alguien respondió a su frase final con este pensamiento, podría continuar pensando que el pasaje citado en la pregunta es correcto después de todo. Por lo que puedo decir, esa no sería una conclusión que usted apoye (¡todo lo contrario, de hecho!)
Puede que no creas que existe un riesgo real de que alguien piense de esa manera (pero mira la respuesta de Koyovis...), y depende de ti si crees que estoy creando un problema de la nada. Transferencia de masa WRT sin movimiento CG, uno puede tratar de hacerlo deliberadamente, como al extraer combustible de los tanques izquierdo y derecho. Como está claro lo que quiere decir aquí, este no es un problema que hubiera mencionado, excepto que es la primera parte de una oración que sentí que podría malinterpretarse... Para ser claros, apoyo firmemente su respuesta por ser la correcta.
Puede que esté malinterpretando el punto que está tratando de hacer (se está volviendo un poco complicado), pero si lo entiendo, estoy dudando porque, en mi opinión, no puede haber tal acción que "necesite" una distribución masiva. Y a menos que la distribución masiva real sea una consecuencia física absolutamente inevitable de la primera acción (y no puedo pensar en ninguna primera acción que pueda describirse como tal), entonces no se puede argumentar que la primera acción sea una causa directa del cambio en CG .
En cuanto a la respuesta de Koyovis, sí, es cierto que cuando un avión se vuelve supersónico, el centro de presión cambia (se mueve hacia atrás), y este cambio cambia las fuerzas de compensación y, todo funciona según lo diseñado, una solución es transferir combustible y caso. Cambio de CG. Pero usando este tipo de lógica, podría argumentar de manera equivalente que la decisión de un piloto de volar a un destino más lejano (lo que permitiría un vuelo supersónico) provoca un cambio en el CG. O bien, podría argumentar que un paciente que tiene un problema médico mientras está en estado supersónico y que requiere un aterrizaje temprano para recibir tratamiento médico provoca un cambio en el CG.
Quiero decir que probablemente conoces la teoría (argumento) de que el aleteo de una mariposa puede cambiar completamente el clima en el otro lado del mundo en algún momento en el futuro. Sí, todo está conectado en una cadena de causalidad indirecta. Por eso es tan importante enfatizar la claridad en las causas directas de los efectos. De lo contrario, nos vemos obligados a tomar una decisión sobre dónde (cuándo) en la cadena infinita de eventos pasados, vamos a detenernos. Recuerdo una historia contada sobre una mosca, un pájaro, un gato, un perro, un caballo y un general a caballo, una batalla y una guerra...
Sugeriría que, si bien esta respuesta es correcta, analiza la masa, mientras que el texto citado por el OP analiza el peso, de una manera incómodamente vaga. Como mínimo, esperaría que alguien que respondiera a esa pregunta en una entrevista técnica considerara la posibilidad de que el "peso" en este contexto incluyera contribuciones aerodinámicas.
Para el punto de @sdenham, ese último párrafo es un bocado... Sí, entiendo completamente el punto que estás diciendo, pero tuve que leerlo varias veces y, en última instancia, no creo que agregue ningún valor o claridad al primero. párrafo. CG solo se ve afectado si redistribuye la masa. Período.
Tomé la referencia de OP al peso en lugar de la masa como nada más que la declaración errónea omnipresente o el mal uso de los términos o la identificación errónea del peso por lo que en realidad es la masa. De ninguna manera asumiría que una referencia al peso pretende incluir fuerzas aerodinámicas. El peso es simplemente la fuerza de la gravedad sobre un objeto en un campo gravitacional igual a la masa por la fuerza del campo en unidades locales de aceleración.
@Michael Hall, Sí, en retrospectiva, estoy de acuerdo con tu reacción a mi último párrafo. Como creo que eliminarlo por completo haría que todos estos comentarios fueran confusos, lo editaré para aclarar su punto.

El autor del libro hace una correcta introducción: "...el movimiento del centro de gravedad se debe a un cambio de peso. La distribución del peso de la aeronave puede cambiar por tres razones". La nota al pie es incorrecta: un cambio en la elevación del plano de cola nunca provoca un cambio en el centro de gravedad. La aerodinámica no tiene nada que ver con las fuerzas de gravedad que actúan sobre la masa: el centro de gravedad no cambia de acuerdo con el ajuste del plano de cola, el centro de sustentación sí lo hace.

ingrese la descripción de la imagen aquíFuente de la imagen , mencionada anteriormente en esta respuesta .

Pero hay un factor atenuante, en el caso de la transferencia de combustible. Los aviones de pasajeros modernos cambian el CoG al redistribuir el combustible cuando viajan, exactamente con el propósito de reducir la resistencia aerodinámica de la sustentación positiva del plano de cola. Por ejemplo en el A380, mediante los depósitos de combustible trimados en la cola horizontal.

ingrese la descripción de la imagen aquíFuente de imagen

El otro caso en el que cambiar el CoG ayuda a la eficiencia a altas velocidades es, por supuesto, para aviones supersónicos. Wing CoL cambia de cuerda de un cuarto de ala a velocidades subsónicas, a cuerda de media ala a velocidades supersónicas. La transferencia de combustible alrededor de la velocidad transsónica luego cambia el CoG hacia atrás también, para evitar una gran resistencia al ajuste.

Re A380: consulte la nota al pie de página en mi respuesta. PS estaba escribiendo la URL de referencia de Concorde de forma independiente antes de ver su respuesta aún no publicada:
Creo que es mejor decir que la cola se levanta para compensar, no tanta estabilidad longitudinal, que sería más bien un caso transitorio. Si la cola se levanta para compensar, debe significar que el momento de cabeceo neto de la aeronave, sin la cola, se ha invertido de morro hacia abajo a morro hacia arriba, incluso con el ala operando en algún ángulo de ataque positivo, ¿correcto?
@JohnK De hecho, la cola se está levantando para recortar. Sin embargo, siempre se debe mantener la estabilidad longitudinal, lo que en crucero no es un problema con una cola de elevación.
Si bien esto responde a la pregunta planteada por el título, no ayuda con la cuestión que realmente se plantea aquí, que es si el pasaje citado es correcto, y no lo es, un hecho que se aclara en la nota del autor, que no deja dudas. que está fundamentalmente confundido. @tedioustortoise presumiblemente quiere que se aborde este último, y no sabía que el título permite una respuesta que evita ese problema. En retrospectiva, tal vez una mejor redacción sería "¿Contribuyen las fuerzas aerodinámicas en el plano de cola a determinar la ubicación del centro de gravedad?"
@sdenham Quizás el CG se considere un CG "efectivo" y se relacione con el arrastre de ajuste, no con la estabilidad longitudinal per se. A medida que el AOA disminuye con una velocidad creciente, el momento de cabeceo disminuye y las fuerzas de ajuste necesarias para regular ese AOA objetivo disminuyen. Con el propósito de recortar la resistencia, es como si movieras el CG hacia atrás, descargando la cola, y tal vez eso es de lo que realmente están hablando. Lo ideal sería que la cola estuviera completamente descargada para el ajuste en el AOA de crucero, con sus fuerzas de elevación solo contribuyendo a la estabilidad estática longitudinal,
@JohnK No entraré en detalles de por qué la forma en que el autor ve el problema no solo es inútil sino confusa, y probablemente incoherente, incluso si lo llama un "CG efectivo", porque el punto más relevante aquí es que el La pregunta que la tortuga tediosa quiere responder no se responde al señalar que los tanques de compensación se usan en algunos aviones.
@Koyovis De hecho; la respuesta podría ajustarse considerablemente eliminando todo lo demás.
Las fuerzas aerodinámicas en el plano de cola contribuyen a determinar el [ CoL (+1) y, por lo tanto, su relación con la] ubicación del centro de gravedad, que debe tener en cuenta "Para mantener la línea recta y nivelada".
@sdenham según sugerencia.
Quizás también cambie " El otro caso donde el CoG cambia a altas velocidades... " por "El otro caso donde el cambio del CoG ayuda a la eficiencia a altas velocidades...". Es algo que los jets reales hacen en la práctica, pero es opcional. Toda la pregunta es si la velocidad afecta directamente al CoG, en lugar de simplemente motivarlo a cambiarlo por otros medios, por lo que una redacción inequívoca es buena siempre que sea posible.
(Hice una edición sugerida con ese cambio, pero no encontré una gran redacción para el nuevo final de ese párrafo; podría mejorar).

Hay dos cuestiones separadas aquí.

En primer lugar, siempre que no estemos redistribuyendo físicamente la masa de la aeronave, entonces un cambio en las tendencias de cabeceo de la aeronave, a medida que varía la velocidad, no debe describirse en absoluto como un "movimiento del centro de gravedad... debido a un cambio de peso". Entonces, el texto citado es inequívocamente erróneo.

El segundo problema se refiere a si la cola horizontal desarrolla o no más sustentación hacia arriba, o menos sustentación hacia abajo, a medida que aumenta la velocidad de crucero. El pasaje citado sugiere que esto es necesario para mantener el morro del avión hacia abajo para que el ala se encuentre con el aire en el ángulo de ataque cada vez más pequeño que se asocia con velocidades aerodinámicas cada vez más altas. Y no hay duda de que el ángulo de ataque del ala debe disminuir a medida que aumenta la velocidad aerodinámica.

Pero la verdad es que debido al momento de cabeceo con el morro hacia abajo del ala combada, que puede expresarse como un coeficiente de cabeceo , la cola generalmente debe producir más carga aerodinámica o menos fuerza ascendente en un crucero de alta velocidad que en un crucero de baja velocidad. A pesar de que el ascensor está colocado más bajoa velocidades aéreas más altas (en el caso simple en el que toda la punta no se puede mover para compensar la aeronave). Esta aparente discrepancia puede explicarse por el hecho de que la aeronave en su conjunto vuela con una actitud de cabeceo y un ángulo de ataque más bajos. en crucero de alta velocidad que en crucero de baja velocidad, y esto afecta el ángulo de ataque de la cola horizontal. Por lo tanto, es un error imaginar que la cola parece "volverse más ligera" a medida que aumenta la velocidad aerodinámica. Lo contrario es realmente cierto, si tenemos la intención de describir los efectos combinados del peso real de la cola y cualquier fuerza ascendente o descendente que deba generar para compensar la aeronave.

Es el caso de que durante el crucero supersónico , el centro de sustentación general de una aeronave puede moverse bastante hacia atrás, lo que en ausencia de un cambio de CG, tendría que ser compensado por un fuerte cambio de morro hacia arriba en el ajuste del control de cabeceo. En el Concorde, esto se maneja bombeando combustible hacia atrás durante la aceleración hasta el crucero de alta velocidad. Pero normalmente no se usan procedimientos similares en aeronaves que navegan firmemente en el rango subsónico. 1

Entonces, en resumen, el pasaje citado está plagado de errores.

Notas al pie:

  1. Cita de un PDF sobre el sistema de combustible del Airbus A380: "Transferencias de control del centro de gravedad (CG): las transferencias de control del CG mantienen el CG de la aeronave por delante del límite certificado de popa transfiriendo combustible del tanque de ajuste a los tanques de ala apropiados. No hay popa Transferencias de CG, porque el CG solo tiene un impacto menor en el rendimiento del crucero". Fuente: "FUEL SYSTEM OF AIRBUS A380 AIRCRAFT SYSTEMS MOHAMAD HAMDI NAJJAR Número de facultad: 363215016", https://pdfcoffee.com/fuel-system-of- airbus-a380-aircraft-systems-pdf-gratis.html
La lógica de "*Nota. Esto se debe a que cuanto mayor es la velocidad, mayor es la sustentación creada. Para mantenerse recta y nivelada, la aeronave adopta una actitud de morro más hacia abajo, lograda mediante la creación de sustentación en el plano de cola. Esta sustentación reduce efectivamente el peso de la sección del plano de cola de la aeronave". es tan circular y completamente defectuoso. El autor afirma que A) el ángulo de ataque del ala y, por lo tanto, la actitud de cabeceo de la aeronave, debe ser más bajo/más morro hacia abajo a alta velocidad (verdadero). ...
(Ctd) B) la cola necesita producir más sustentación hacia arriba para lograr esto (mi respuesta argumenta que esto es falso, pero por el bien del argumento, supongamos que es cierto). C) Dado que la cola supuestamente está haciendo lo que debe hacer para mantener todo equilibrado, ahora hemos creado un problema, similar a un cambio en CG, y el avión ya no está en equilibrio. (No tiene ningún sentido en absoluto.)

NO.

El "centro de gravedad" es donde se puede pensar que se concentra el peso total del cuerpo, o alternativamente su masa total.

A menudo se ve como la característica física interna del cuerpo sólido y (como se entiende comúnmente) no se ve alterada por la velocidad, la aceleración o la densidad del entorno circundante. Puede ser alterado solo alterando la estructura interna del cuerpo físico, como reubicando alguna masa de manera diferente dentro de él. Por lo tanto, para la aeronave, solo mover cualquier masa hacia adentro, hacia afuera o reubicarla en el interior la cambiaría. La quema de combustible y el movimiento de pasajeros son casos para eso, pero el cambio de velocidad no lo es.

He quitado el pensamiento de lo que el autor posiblemente quería decir.

No debe confiar en el libro del Sr. Bristol para obtener la entrevista de pilotaje técnico. Comete tres errores en el apartado citado:

  1. La masa no es peso. La masa de algo solo se puede cambiar agregando o quitando cosas. El peso es una fuerza, el producto de la masa y la aceleración. Para los quisquillosos: sí, la masa aumenta una vez que alcanzas una fracción sustancial de la velocidad de la luz, pero podemos descuidar cómodamente este efecto relativista en la aviación.
  2. El centro de gravedad no cambia cuando cambia el peso debido, por ejemplo, a un cambio en la aceleración. El avión que gira no solo está sujeto a la aceleración gravitacional, sino también a la aceleración inercial resultante de su movimiento en una trayectoria curva. Cambia la curvatura de la trayectoria y el peso cambia, pero la masa no. Ahora se puede discutir si la masa gravitatoria y la inercial son dos cosas distintas, pero hasta ahora nadie ha podido demostrar ninguna diferencia entre ellas , aparte de la semántica.
  3. El error más grave es el tercero: la carga de cola se vuelve más negativa a medida que aumenta la velocidad cuando el ala tiene inclinación positiva. Dado que el centro de presión retrocede en un ala combada a medida que disminuye el ángulo de ataque, la distribución de sustentación entre el ala y la cola (o canard) debe cambiar para mantener el centro de presión del avión completo en el centro de gravedad.

Cuando se usa un perfil aerodinámico simétrico en el ala, la carga de la cola permanecerá constante sobre el ángulo de ataque si solo observamos las fuerzas aerodinámicas. Pero los aviones propulsados ​​también producen empuje, y una línea de empuje desplazada también afectará el momento de cabeceo. Cuando los motores están montados debajo de las alas y la resistencia aumenta con la velocidad aerodinámica por encima de la velocidad mínima de resistencia , se necesita más empuje para equilibrar la resistencia y se sumará a la contribución de cabeceo hacia arriba de los motores. ¡Esto también requiere más elevación en la cola! Solo las ubicaciones muy altas del motor (como en los anfibios del lago o un Ekranoplan ) harán que la elevación de la cola disminuya (o aumente la carga aerodinámica) cuando la velocidad aumenta cerca de la velocidad máxima del avión.

¿Es normal hablar de "peso" en términos de fuerzas distintas de la gravedad? (En el marco de referencia no inercial de un avión que gira, ¿está considerando que la fuerza centrífuga es parte del peso?) Con mi experiencia en física no aeronáutica, habría dicho peso = , y la atmósfera es lo suficientemente delgada como para m gestar gcerca lo suficiente para los mismos 9,81 m/s ^ 2 en todas partes donde puede volar un avión en la Tierra. (Y ciertamente no varía con el tiempo lo suficiente como para importar). Otras fuerzas que actúan sobre la masa del avión son obviamente significativas y deben tenerse en cuenta de alguna manera, por supuesto.
@PeterCordes Si piensa cómo se describen los efectos de un factor de carga> 1 en un piloto: sí. Si haces una distinción entre peso gravitacional e inercial: No, pero eso se acerca a los escolásticos.

Las razones para un cambio en el peso de la aeronave no son más que lo que dice la palabra, razones. La única diferencia entre el consumo de combustible y el movimiento de los pasajeros por un lado y las altas velocidades por el otro, es que los dos primeros provocan un cambio en el CG, mientras que el último solo cambia la elevación. Tanto el consumo de combustible como el movimiento de los pasajeros pueden corregirse cambiando la elevación, al igual que la elevación alterada debido a las altas velocidades puede corregirse cambiando el CG, por lo que es una razón plausible para hacerlo.

Sin embargo, no existe tal cosa como un efecto Bernoulli sobre la influencia de la gravedad. No puedes dejarlo atrás. El texto es algo engañoso. "...razona y por lo tanto causa..." sugiere que ambos son y/o significan lo mismo, lo cual no es correcto ya que las causas no razonan.

¿El centro de gravedad es movido por un avión que viaja a "altas velocidades"?
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