HoverCraft

Instituto Politécnico Nacional

Unidad Interdisciplinaria de Ingenierías Campus Guanajuato

Presentación de Proyecto: Hovercraft

Para las materias de Física Clásica y Humanidades

Presentan: Chávez Pérez Sony SinaíZavaleta García Fernando DanielLópez Cuellar José de JesúsAnaya AlfonsoOliva Nicasio Antonio de JesúsSilvestre

1AM1

Junio de 2012

INDICE

1

Introducción ……………………………………………………………………3

Objetivo General ……………………………………………………………….4

Antecedentes …………………………………………………………………....5

Marco Teórico ………………………………………………………………………...7

Metodología ………………………………………………………………………….10

Experimentación ……………………………………………………………………...11

Resultados …………………………………………………………………………….16

Conclusiones ………………………………………………………………………….18

Bibliografía ……………………………………………………………………………19

INTRODUCCIONDesde la revolución industrial, la industria del transporte se ha venido transformando

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poco a poco hasta comprender las grandes extensiones que conocemos en la actualidad, los avances tecnológicos que se han llevado a cabo durante todo ese periodo de tiempo le han permitido al ser humano vencer múltiples desafíos de la naturaleza.

Actualmente los medios de transporte de acuerdo con la superficie en el transita se puede dividir en 3 clases: los Terrestres, aéreo y marinos, ya que de ellos se desprenden sub-clases como los sub-marinos y espaciales. Gracias a esto, se conoce la clara diferencia entre los aviones, los barcos y los automóviles: que vencen una clase de superficie distinta.

La época en que los hermanos Wright volaron el primer aeroplano en 1903, la época en que colon atravesó el atlántico en carabelas impulsadas por velas, las época en que Henry Ford comenzó a fabricar automóviles en 1980, todos esos hechos hicieron posible que hoy en día existan vehículos que no solo son capaces de vencer una superficie, sino que puedan vencer todo terreno.

Ejemplos claros de estos avances son los hidroaviones capaces de transportar en tierra y agua, pero no hay un medio de transporte que supere al centro de este proyecto: el aerodeslizador, un medio que vence casi cualquier superficie (tierra, nieve, asfalto), además de pasar normalmente sobre el agua.

Un aerodeslizador, también conocido como hovercraft, es un vehículo que se sustenta al lanzar un chorro de aire

contra una superficie que se encuentra debajo de él; esto genera un cojín de aire, que le permite, en principio, moverse sobre cualquier superficie horizontal lo suficientemente regular, como llanuras, sobre el agua, la nieve, arena o hielo, sin estar propiamente en contacto con ella.

Antecedentes

El aerodeslizador como lo conocemos actualmente, no es más que un invento para evitar el arrastre que se dan en los botes y barcos, a medida que avanzan en aguas a altas velocidades.

El primer vehículo con un cojín de aire fue hecho en 1796, se realizó adaptándolo a un bote de remo con una cabina en el medio pero este nunca fue construido por falta de energía, luego en 1870 se trató de hacer un modelo de embarcación para

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analizar los efectos del colchón de aire pero los problemas persistieron. Fue solo hasta el siglo XX cuando el primer aerodeslizador funcionó ya que el motor de combustión interna podía levantarlo y flotar.

Fue cerca de 1950 cuando Christopher Coockerell un ingeniero británico creó un aerodeslizador. En su prototipo un ventilador separaba el aire, un porcentaje era dirigido al colchón y el otro hacia el perímetro interno del colchón, esto generaba aire a alta presión que era almacenado y posteriormente liberado por unas compuertas traseras para la propulsión, esta idea del flujo de aire dio base para crear el aerodeslizador.

El fabricante de aeronaves británico Saunders Roe fue el primero en desarrollar un aerodeslizador capaz de transportar una persona, el SR-N1, que fue sometido a varios programas de pruebas de 1959 a 1961 (con la primera demostración pública en 1959). Estas pruebas incluyeron el cruce del Canal de la Mancha, que fue realizado el 25 de julio de 1959, en tan sólo dos horas; conducido por el Capitán Peter Lamb, el ingeniero John B. Chaplin y su inventor, el ingeniero (posteriormente Sir) Christopher Cockerell, como "contrapeso de proa". Así, se descubrió que la sustentación del bote mejoraría al añadir una "falda" de contención hecha de goma o de tela flexible bajo el casco, con el propósito de contener el aire bajo el mismo y crear un efecto de "levitación”

Poco después la British Hovercraft Corporation desarrollo el primer aerodeslizador comercial el cual podía llevar alrededor de 400 pasajeros y 50 automóviles a través del canal de la mancha, dicho aerodeslizador continuo funcionando en nuestros días.

Actualmente, los aerodeslizadores prestan servicio en todo el mundo, tanto para usos civiles como militares. Sin importar sus dimensiones o su conformación, son utilizados como transbordadores sobre ríos y estrechos; como herramientas de trabajo en lagos, ríos, pantanos y mares; como vehículos de auxilio e incluso como vehículos de desembarco de tropas militares. Son utilizados oficialmente por dependencias gubernamentales de todo el mundo, como Guardias Costeras, Forestales y de Incendios, Institutos

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de Geología, y ciencias del Agua, Escuadrones de Salvamento, Desastres Naturales y Desinfección.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Objetivo general:

Crear el prototipo de un vehículo motorizado que funcione a base de un aerodeslizador.

Objetivos Específicos:

Por medio de la experimentación adquirir conocimientos para entender el funcionamiento de un aerodeslizador.

Realizar satisfactoriamente las funciones óptimas de ensamblaje para tener los resultados esperados en la experimentación.

Explicar las aplicaciones de las leyes físicas que se van a usar para el funcionamiento del aerodeslizador.

Analizar, comprender y explicar el funcionamiento del prototipo.

Variables independientes:

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Área de sustentación. Densidad del aire. Fuerza de sustentación. Fuerza de propulsión.

Variables dependientes:

Masa Velocidad del Vehículo Superficie por lo que se desliza el vehículo

HIPOTESISLa física es la forma que encontró el hombre para estudiar la naturaleza, sosteniéndose en la base de las matemáticas. La importancia reside en intentar comprender (hasta donde se nos permite) como funciona la naturaleza.

Los aerodeslizadores no son la excepción, todo su funcionamiento, las bases para su creación están cimentadas en la física, en sus leyes, teoremas y postulados.

El principio que posibilita el funcionamiento de los aerodeslizadores se sustenta en el comportamiento de los fluidos. Un fluido en el sentido más general, es una sustancia que se deforma debido a la acción de un esfuerzo constante, los fluidos pueden ser líquidos o gases. Las partículas que componen un liquido no están rígidamente adheridas entre sí, pero están más unidas que las de un gas volumen de un liquido contenido en un recipiente hermético permanece constante y el liquido tiene una superficie limite definida. En contraste, un gas no tiene límite natural, y se expande y difunde en el medio, es decir disminuye su densidad. Una de las características que mas toma vigencia en los fluidos es su compresibilidad que es uno de los factores que más diferencia los gases de los líquidos así como su viscosidad. La viscosidad es la oposición de un fluido a “fluir” es decir es la resistencia a no deformarse.

El aire es un gas y es el fluido utilizado como fuente de propulsión y sustentación en los aerodeslizadores, la propiedad de viscosidad absoluta se mantiene constante en el aire independientemente de la velocidad con la que fluya, por esta razón el aire es considerado como un fluido newtoniano.

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Según la ley de Boyle-Mariotte ( (Presion1 ) (Vo lumen1 )=(Presion2 ) (Volumen2 ) ), si un

gas (en este caso el aire) se mantiene a una temperatura constante, su

volumen será inversamente proporcional a la presión (Pα ( 1V )). Por esta razón

al reducir el volumen del aire aunque sea solo un poco, la presión aumenta, esto explica el comportamiento de la cámara de sustentación, el aire al estarse acelerando y aumentando su masa en la cojín busca desesperadamente salidas, y las encuentra por el orificio del cojín inferior, en donde nace una salida de flujo de aire que mantiene a la presión interna estable, es decir esta liberación de presión hace que no se rompa la cámara de sustentación ni sobrecargue el trabajo de la hélice, por otra parte mucha de esta fuerza también sale por el orificio superior, que es también el lugar donde se genera esta fuerza.

La presión es la magnitud que relaciona la fuerza con la superficie sobre la que actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie. Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme y perpendicularmente a la superficie, la presión P viene dada por:

P= FA

La cámara o cojín de aire retiene y almacena el fluido, generando un ligero aumento de presión interna haciendo que el área logre experimentar una fuerza de sustentación causada por el aire ascendente que se presenta sobre toda la superficie de la base, venciendo el peso que lleva sobre si.

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Por otro lado, el principio físico que hace posible la propulsión por medio del aire es el teorema de Bernoulli, que fue expuesto por primera vez por Daniel Bernoulli fue un matemático, estadístico, físico y médico holandés-suizo. Destacó no sólo en matemática pura, sino también en las aplicadas. Hizo importantes contribuciones en hidrodinámica y elasticidad que afirma que la energía total de un sistema de fluido con flujo uniforme permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo. Puede demostrarse que, como consecuencia de esto, el aumento de velocidad del fluido debe verse compensado por una disminución de su presión. Por esta razón, cuando la velocidad del aire es incrementada por efecto de una hélice o ventilador se genera una diferencia de presión entre la entrada y salida de este, produciendo una fuerza de reacción o empuje.

El empuje que genera el desplazamiento del Hovercraft, se genera con el acople que realizan el motor eléctrico y las hélice de 2 aspas, cuando el aparato se encuentra levitando.

La primera ley de Newton también es aplicable, la cual se enuncia a continuación: “Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento

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Aire entrante con Velocidad pequeña y

Presión normal Aire Saliente con Velocidad

Grande y menor Presión que la

de entrada

uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él”.

Esta ley se ve claramente aplicada en este proyecto: con el aerodeslizador colocado sobre el colchón de aire, buscamos reducir el efecto de todas las fuerzas externas sobretodo el rozamiento que es el primer oponente del deslizamiento, y al lograr evitar el cambio de velocidades, logrando así que el aparato se mueva a distancias más largas.

La segunda ley de Newton también se aplica en este proyecto, esta ley explica qué ocurre si sobre un cuerpo en movimiento, actúa una fuerza neta: la fuerza modificará el estado de movimiento, cambiando la velocidad en módulo o dirección. En concreto, los cambios experimentados en la cantidad de movimiento de un cuerpo son proporcionales a la fuerza motriz y se desarrollan en la dirección de esta; esto es, las fuerzas son causas que producen aceleraciones en los cuerpos. Consecuentemente, hay relación entre la causa y el efecto, esto es, la fuerza y la aceleración están relacionadas. Dicho sintéticamente, la fuerza se define simplemente en función del momento en que se aplica a un objeto, con lo que dos fuerzas serán iguales si causan la misma tasa de cambio en el momento del objeto.

Puede reescribirse más sencillamente como:

ΣF=ma

Que es la ecuación fundamental de la dinámica, donde la constante de proporcionalidad distinta para cada cuerpo es su masa de inercia, pues las fuerzas ejercidas sobre un cuerpo sirven para vencer su inercia, con lo que masa e inercia se identifican. Es por esta razón por la que la masa se define como una medida de la inercia del cuerpo.

Por tanto, si la fuerza resultante que actúa sobre una partícula no es cero, esta partícula tendrá una aceleración proporcional a la magnitud de la resultante y en dirección de ésta.

Si sobre el cuerpo actúan muchas fuerzas, habría que determinar primero el vector suma de todas esas fuerzas. Por último, si se tratase de un objeto que cayese hacia la tierra con una resistencia del aire igual a cero, la fuerza sería su peso, que provocaría una aceleración descendente igual a la de la gravedad.

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EXPERIMENTACION

METODOLOGIA

MATERIALES

1 Pila de 850 miliampers Tarjeta Madre para conectar motores para señal de 57Hz Control Remoto con señal de 57Hz Tapa superior de plato de unicel 19.5 cm x 19.5 cm 2 Motores de Helicóptero de juguete plástico de 5.5cm de radio Bolsa común Cinta Adhesiva Kola-Loka Cutter Cartón

HERRAMIENTAS DE MEDICION

Anemómetro Manómetro Bascula Regla

INSTRUCCIONES

1) Centre la tapa de unicel y cortar un agujero en el centro.2) Coloque mediante un soporte de cartón al ras de este orificio el motor

uno, evitando que el cartón cubre gran parte de este orificio.3) Cubrir la tapa por la parte inferior con la bolsa común, asegurándolo con

cinta adhesiva, para evitar la salida del aire por ningún lado y procurar pegarlo un poco lejos del borde.

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4) Cortar orificio en el plástico cuidando esta perpendicularmente al centro de masas del vehículo.

5) Colocar motor dos en una esquina superior de la estructura fijándolo bien con cinta adhesiva

6) Montar pila y tarjeta del sistema eléctrico igual sobre el soporte de cartón.

7) Conectar motores a tarjeta8) Encender motores9) Realizar mediciones de la Velocidad del aire del motor uno por el orificio

inferior con Anemómetro.10)Velocidad de motor dos con Anemómetro11) Medir presión interna del cojín de Aire con Manómetro.

CARACTERISTICAS DEL PROTOTIPO

Masa Total=120 grs=0.12kg

PesoTotal=1.1772Newtons

Radiode los Motor es=5.5cm=0.055m2

Areade los Motores=95.0331cm2=0.950331m2

Velocidad delMotor Uno=12( kmh )=3.3333(ms )Velocidad delMotor Dos=23 ( kmh )=6.3888 (ms )Areade la estructura=501c m2=5.01m2

Areade la bolsa=441c m2=4.41m2

Capacidad de la Pila = 850 miliampers y levanta una potencia de 7.4 Volts

CARACTERISTICAS DEL MEDIO

Densidad del Aire=1.23( kgm3 )Temperatura promedio=29GradosCelcius

Presion Atmosferica=101300 Pascales=1 Atmosfera

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EXPERIMENTACIÓN

Para el desarrollo experimental de este proyecto se uso el prototipo ya terminado, con el cual se logro medir el movimiento rectilíneo uniforme. Cabe mencionar que se realizaron seis pruebas con pesos diferentes. Cada prueba con 5 repeticiones. La superficie en la que se llevaron a cabo las pruebas fue completamente lisa, en donde se obtuvieron los siguientes resultados:

Prueba 1

Peso total del vehículo (motores, hélices, carcasa)= 120 grs.

Distancia recorrida= 5m.

Tiempo= 4.83s.

Los resultados obtenidos fueron los siguientes:

La velocidad que se obtuvo fue de: 1.03 m/s

Tabla 1.1 Datos obtenidos de la prueba 1.

Tiempo(s) Velocidad(m/s) Masa del aerodeslizador4.83 1.03 0.12kg4.87 1.02 0.12kg4.79 1.05 0.12kg4.9 1.00 0.12kg5.1 .98 0.12kg

12

1 2 3 4 58.6

8.658.7

8.758.8

8.858.9

8.959

9.059.1

0.42

0.44

0.46

0.48

0.5

0.52

0.54

0.56

0.58

Velocidad - TiempoTiempo(s)

Velocidad(m/s)

Velocidad

(m/s)

No. de Pruebas

Tiempo(s)

Prueba 2



Tiempo= 5.94



Tiempo(s) Velocidad(m/s) Masa del aerodeslizador(kg)

5.94 0.84 0.136.13 0.82 0.135.83 0.86 0.135.79 0.87 0.136.02 0.83 0.13


13

1 2 3 4 55.6

5.7

5.8

5.9

6

6.1

6.2

0.79

0.8

0.81

0.82

0.83

0.84

0.85

0.86

0.87

0.88

Velocidad- TiempoTiempo(s)

Velocidad(m/s)

Velocidad(m/s)

No. de Pruebas

Tiempo(s)

Prueba 3



Tiempo= 6.95s



Tiempo(s) Velocidad(m/s) Masa del aerodeslizador(Kg)

6.95 0.71 0.167.07 0.7 0.167.11 0.69 0.166.84 0.72 0.166.79 0.73 0.16


14

1 2 3 4 56.6

6.7

6.8

6.9

7

7.1

7.2

0.67

0.68

0.69

0.7

0.71

0.72

0.73

0.74


Velocidad(m/s)

Velocidad(m/s)

No. de Pruebas

Tiempo(s)

Prueba 4



Tiempo= 8.18s




8.18 0.61 0.188.02 0.64 0.188.34 0.58 0.188.15 0.61 0.188.56 0.56 0.18


15

1 2 3 4 57.77.87.98

8.18.28.38.48.58.68.7

0.5

0.52

0.54

0.56

0.58

0.6

0.62

0.64

0.66

Velocidad- Tiempo Tiempo(s)

Velocidad(m/s)

Velocidad(m/s)

No. de Pruebas

Tiempo(s)

Prueba 5



Tiempo= 8.79s





8.79 0.56 0.28.84 0.54 0.28.57 0.58 0.28.94 0.52 0.28.24 0.61 0.2

16

1 2 3 4 57.8

8

8.2

8.4

8.6

8.8

9

0.46

0.48

0.5

0.52

0.54

0.56

0.58

0.6

0.62


Velocidad(m/s)

Velocidad(m/s)

No. de Pruebas

Tiempo(s)

Prueba 6



Tiempo= 8.91s





8.91 0.49 0.228.97 0.48 0.228.84 0.49 0.229.07 0.47 0.228.76 0.56 0.22

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1 2 3 4 58.6

8.658.7

8.758.8

8.858.9

8.959

9.059.1

0.42

0.44

0.46

0.48

0.5

0.52

0.54

0.56

0.58

Velocidad - TiempoTiempo(s)

Velocidad(m/s)

Velocidad(m/s)

No. de Pruebas

Tiempo(s)

RESULTADOSNuestro prototipo posee 2 motores: uno vertical y otro horizontal, cada uno con una hélice, el primero dirige el aire hacia un colchón y luego hacia una

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cámara, la cual a través de una diferencia de presión genera un espacio de unos 11mm entre el colchón y el suelo, lo que genera una levitación de unos 3mm

La parte exterior o carcasa del hovercraft, se encuentra en contacto con el exterior y con el agua, esta carcasa es la que no permite el ingreso del agua al interior del aerodeslizador, se hizo con unicel material impermeable y de baja densidad perfectamente preparada frente a impactos con la magnitud de la velocidad del hovercraft.

Sus turbinas, pedacerias de helicóptero de juguete que están hechas de plástico, compuesto por 2 aspas de 4cm. Este elemento es responsable de mantener los niveles de presión y flujo de aire del hovercraft para así, lograr mayor eficiencia.

El colchón de aire es crucial en nuestro aparato ya que determina el nivel de fricción contra el suelo y es el principal soporte del hovercraft, además de distribuir el aire por todo el hovercraft, este posee agujeros de un diámetro de ¿?mm cada uno que sirven para distribuir el aire uniformemente por debajo de todo el colchón

La tecnología empleado por este se basa en retener y almacenar el fluido (aire) en una cámara sellado, lo que genera un aumento de la presión interna haciendo que el área superior logre experimentar una fuerza de sustentación causada por el aire ascendente que se presenta sobre toda la superficie de la base, venciendo el peso que lleva sobre si.

La principal forma de conseguir esta cantidad de aire (presión y caudal requeridos), es utilizando un sistema que permita acelerar el aire, transmitiéndole energía cinética y transformando este movimiento en sustentación. Por lo general el elemento que más se utiliza para lograr esta fuerza a partir del aire en los aerodeslizadores son los ventiladores de hélices axiales, que brindan la proporción de presión y caudal según la necesidad específica. Estos dispositivos están conformados por un conjunto de elementos denominados palos, aspas o alabeas, que están montados de forma concéntrica alrededor de un eje, girando alrededor de este en un mismo plano.

Para lograr que la cámara selle adecuadamente con el suelo debe tener una membrana en su periferia. A medida que el aire ingrese, la presión aumenta y la fuerza vertical logra vencer el peso, pero en sentido contrario al que se ejerce, cuando finalmente la presión es mayor, la cámara se separa del piso y se genera una abertura entre ambos produciendo una fuga.

El hovercraft se desplaza a través de sus propulsores, que están compuestos por un motor eléctrico que acopla directamente una hélice de 2 aspas.

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En medio de la construcción del Hovercraft se generaron varios inconvenientes, primero el aerodinámico. Cuando sepamos cuales son las capacidades aerodinámicas de nuestro generador sabremos sirve para elevar algo.

Es posible notar que una leve desalineación en la dirección de la fuerza da como resultado un desplazamiento, así que no hay que preocuparse por la fricción.

Debemos calcular un margen sobrante para poder inclinar esa fuerza de elevación y descomponerla en fuerza de sustentación más una componente de avance.

Aquí el rendimiento aerodinámico del ventilador lo es todo y de esto dependerá en gran medida la potencia necesaria.

Teniendo un ventilador que cumpla con los requerimientos antes dicho debemos averiguar cuáles son las revoluciones óptimas de trabajo y que torque genera a plena carga.

Luego es fácil ya que torque por revoluciones nos dará la potencia necesaria para moverlo.

CONCLUSIONESLas conclusiones obtenidas después de haber realizado esta investigación son las siguientes:

• Viendo el resultado final, con funcionamiento idóneo es sensato observar que conociendo la física, utilizándola como sucedió en este caso, el hombre puede continuar creando aparatos para su avance científico y tecnológico,

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como es en este caso el aerodeslizador. Es decir, la física es un motor fundamental para el avance de la humanidad.

• Las variables que manejamos en la construcción del aerodeslizador fueron:

Fuerza de sustentación, área de sustentación, velocidad horizontal, caudal del aire, densidad del aire y potencia del ventilador, estos parámetros determinan el peso máximo que puede transportar el aerodeslizador, la modificación de uno implica una diferencia en las propiedades del aerodeslizador

• El aerodeslizador se plantea como una opción fuerte para ser el vehículo del futuro, por sus ventajas de versatilidad, capacidad, bajo impacto ambiental. El reto del hombre es aumentar la velocidad de desplazamiento del aerodeslizador.

BIBLIOGRAFIASEARS, FRANCIS W., ZEMANSKY, MARK W.,YOUNG, HUGH D. Y FREEDMAN, ROGER A.Física Universitaria. Vol. 1. Decimo primera ediciónPEARSON EDUCACION, México, 2004

PAUL TIPLER, GENE MOSCAPhysics for Scientist and Engineers. Vol. 1. Fith EditionREVERTÉ, ESPAÑA 2005

ROBERT RESNICK, DAVID HALLIDAY, KENNETH S. KRANE.

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Physics. Vol. 1. 5th EditionGRUPO PATRIA CULTURAL, 2006

http://www.sdss.jhu.edu/~tamas/bolts/hovercraft.htmhttp://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project_ideas/Aero_p033.shtmlhttp://www.discoverhover.org/abouthovercraft/works.htmhttp://www.histarmar.com.ar/InfGral/Hovercraftbase.htm

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http://www.sdss.jhu.edu/~tamas/bolts/hovercraft.htm

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