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SKETCHYPHYSICS PARA PROFESORES DE TECNOLOGÍA

Antonio Álvarez Araújo (I.E.S. Victoria Kent – Elche)

SKETCHYPHYSICS BÁSICO   Traducido y adaptado de http://sites.google.com/site/sketchyphysicstutorial/home

1 INTRODUCCIÓN A  SKETCHYPHYSICS   SketchyPhysics (SP a partir de ahora) es un plugin para SketchUp escrito por C. Philips. Permite “darle vida” a los objetos dibujados con SketchUp en una simulación real con gravedad, colisiones e interacciones con otros objetos. Se trata de un asombroso añadido a SketchUp, aunque encontrar ayuda en la red, incluso una simple guía es casi imposible, sobre todo en español. Si has visto en You-Tube el vídeo de un simple coche rodando colina abajo y has intentado hacerlo, verás lo frustrante que SP puede llegar a ser incluso con este sencillo ejemplo cuando veas cómo las ruedas flotan en el aire, cómo el chasis cae hacia abajo o cómo el condenado ni siquiera se mueve. El objetivo de estas pocas páginas es el de proporcionar un punto de partida para aquel que conozca SketchUp pueda empezar a experimentar con la física de los objetos. No se pretende hacer una exhaustiva guía de SP sino más bien una visión general que te permita comenzar a aprender por ti mismo. Se supone además que ya tienes una experiencia suficiente con SketchUp antes de empezar con esto. La versión que utilizaremos será la 3.2, que te puedes descargar del siguiente enlace: http://code.google.com/p/sketchyphysics/downloads/list Encontrarás las versiones tanto para Windows como para Mac. En el caso de Windows, solo hay que ejecutar el archivo descargado y se autoinstalará (ten cuidado de que SketchUp no se esté ejecutando cuando lo hagas. En Mac, descomprime el archivo zip descargado en Librería – Application Support – Google SketchUp8 – SketchUp – Plugins.

2 CONCEPTOS BÁSICOS   Lo primero que conviene saber es que SketchyPhysics SÓLO FUNCIONA CON OBJETOS AGRUPADOS. Si comienzas dibujando un cubo y agrupando todas las partes en un solo objeto, éste será reconocido por SP, mientras no lo hagas así, el invento no funcionará. El entorno físico empezará a actuar cuando hagas clic sobre el botón RUN. Lo que verás es cómo el cubo inicia una caída eterna desapareciendo de la pantalla. Para hacer un RESET de la escena, debes pulsar en al segundo botón (el que hay junto a RUN).

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Existen además una serie de auto-formas proporcionadas en una barra de herramientas que se instala con SP. Estas formas ya están agrupadas y dispuestas para ser utilizadas. Todo lo que hay que hacer es dibujarlas en nuestro modelo donde queramos.

2.1 ESTADO (STATE) Tras hacer un objeto agrupado, hay dos atributos principales que definir, a los que se accede haciendo clic con el botón derecho sobre el mismo.

La primera opción es STATE (estado) que hace referencia al comportamiento dinámico del objeto en SP. Las opciones más importantes de STATE son:

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IGNORE: El objeto no se mueve y los demás no interactúan sobre él, sino que pasan a su través. Se comporta como un fantasma. FROZEN: el objeto permanecerá en su sitio sin caer hasta que sea golpeado por otro; a partir de entonces, se comportará de acuerdo a las leyes físicas. STATIC: El objeto NUNCA se moverá, pase lo que pase. Los otros objetos rebotarán sobre él. NOCOLLISION: Es similar a ignore pero el objeto puede moverse. En el próximo apartado trataremos la segunda opción: SHAPE (forma)

2.2 ENVOLTORIO (SHAPE). MODELADO Y COMPORTAMIENTO La otra opción de menú contextual es la de SHAPE (forma o “envoltorio”). Otra opción relacionada con esta es DEBUG; ambas se utilizan juntas. SHAPE establece la forma en que SP “ve” al grupo. El hecho de que hayas agrupado un cubo, no significa que SP lo vea como tal. UTILIZA LA OPCIÓN SHAPE EN CADA OBJETO QUE CREES PARA SKETCHY PHYSICS!!! DEBUG: Usa esta opción para chequear la forma que “ve” SP. Después de agrupar un objeto y establecer su forma (shape), selecciona la opción DEBUG y presiona RUN. SP dibujará un contorno alámbrico del objeto TAL Y COMO ÉL LO VE.

Si te fijas en la siguiente figura, verás cada una de las opciones aplicadas al mismo objeto. La “realidad” que SP utiliza para interactuar con otros objetos es lo que se ve representado como estructura de alambre. Puedes comprobar que la forma que mejor se ajusta al contorno real del objeto es “staticmesh”; sin embargo, un objeto al que se asigne este tipo de envoltorio será siempre estático (sirve para definir la topografía por la que de moverán los objetos móviles).

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También hay que tener en cuenta la orientación del objeto al asignar la forma. Así si queremos asignar un envoltorio CYLINDER a una rueda, ésta deberá estar tumbada. Después, una vez asignada a CYLINDER, la podemos girar a su posición. Si no tomas esta precaución, te puedes sorprender de lo que ves. Asignación incorrecta de forma

A este objeto cilíndrico se le ha asignado la forma “cilindro”, pero con la ayuda de la opción DEBUG, puedes ver la envoltura alámbrica que muestra cómo SP piensa que es el objeto. Si cualquier otro objeto interactúa con este cilindro, golpeará el enrejado negro, no el cilindro que tú dibujaste. Puedes asignar a propósito una forma “equivocada” a un objeto por diversión. Por ejemplo, si vuelco este cilindro, podrá girar como una moneda al lanzarla en un juego de cara o cruz.

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¿Qué puedes hacer si la forma no se ajusta correctamente? Intenta otra forma. La ”ESFERA” funciona realmente bien para un cilindro corto, aunque lo mejor es ponerlo en posición horizontal, asignarle la forma “cilindro” y después girarlo. Otra de las formas notables es "CONVEX HULL" (literalmente, cáscara), y es exactamente lo que su nombre describe. Envuelve al objeto en una cáscara cerrada pero, como veremos a continuación, tiene algunas limitaciones.

Puedes ver que la forma “convex hull” construye un envoltorio similar al engranaje de la figura, pero si quieres hacerlo trabajar junto a otro, no lo hará. Es como sin envolviéramos el engranaje con papel de regalo; se queda sin la forma de los dientes, por lo que será imposible que engrane con otro. El siguiente ejemplo presenta un problema similar. El arco que ves a continuación, se mecerá perfectamente hacia delante y hacia atrás cuando usemos la forma “convex hull” pero si lanzamos una bola para que ruede por la superficie interior del mismo, rebotará antes de alcanzarla. Si activamos la opción DEBUG, vemos como “convexhull” no soporta figuras cóncavas.

No existe una forma estándar que nos solucione el problema. Lo que haremos será recurrir a.. AGRUPAR GRUPOS: lo que haremos, en lugar de dibujar un arco, será construirlo a partir de grupos similares a los ladrillos en un edificio y agrupar cada subgrupo junto para formar un arco. Ahora, la bola caerá dentro del arco y además, este se mecerá hacia delante y hacia atrás. Todavía se puede perfeccionar si en lugar de dejar cada ladrillo con la forma “box” (la que SP asigna por defecto), lo construimos como “convex hull”; la bola rodará más suavemente.

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La agrupación de grupos es además, la única forma de hacer un agujero en un objeto móvil.

NOTA: puedes hacer un agujero en un objeto utilizado “staticmesh”, pero entonces, ese objeto no se moverá.

3 UNIONES Hasta ahora, sólo hemos construido objetos afectados por la gravedad y por colisiones en SP. Ahora, aprenderemos cómo usar uniones para hacer movimientos específicos en nuestros modelos. Una unión es un tipo especial de objeto agrupado que puede controlar otros objetos en SP.

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Hay una serie de uniones para añadir a tu modelo y cada una de ellas tiene un comportamiento específico.

Además, las uniones tienen su herramienta especial para definir sus conexiones: el Conector de Uniones:

Hay tres pasos básicos para añadir una unión a un modelo: • • •

Añadir una unión para la parte que quieres mover. Hacer un grupo con la parte móvil y la unión (o con la parte fija y la unión). Conectar la unión a un objeto “padre” en el modelo.

Estos tres pasos funcionarán para la mayor parte de las uniones en casi todas las ocasiones. • • •

Antes de empezar, hay que dejar clara la terminología usada en este manual: CONECTAR UNA UNIÓN a un objeto implica utilizar el Conector de Uniones. AGRUPAR un objeto a su unión significa que hacemos con ellos un grupo como otro cualquiera en SketchUp.

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4 EJEMPLO (TUTORIAL)   Uno de los conceptos más difíciles de asimilar es el cuándo utilizamos una u otra estrategia. Para ello recurriremos a un ejemplo y construiremos un coche que ruede. Si quieres seguir el tutorial, descarga el modelo básico AQUÍ. NOTA: El modelo sólo contiene las primitivas. Para hacerlo funcionar, deberás seguir el tutorial y ponerlas juntas. Lo primero que hay que hacer es dibujar un cuerpo simple como el de la figura y agruparlo . Después, crearemos una rueda y la agruparemos. Ajustar la forma de la rueda a “convex hull” o a “esfera” y hacer tres copias de la misma. También podemos dibujarla en posición horizontal, ajustarla a “cylinder” y después rotarla a su posición. Una vez hecho esto, haremos tres copias.

Ahora es un buen momento para hacer un “debug” de las ruedas y del chasis para estar seguros de se les ha asignado la forma correcta. Después, moveremos las ruedas a su sitio. Es fácil moverlas si se las dibuja con alguna referencia del centro (es por eso por lo que se han dibujado en cuatro secciones en lugar de con un círculo sólido).

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Ahora procederemos con las uniones y su agrupamiento para que esto funcione. Recuerda los tres pasos mencionados antes; comenzaremos con el paso uno: I. Añadir una unión para la parte que quieres mover. Usaremos una unión de tipo “HINGE” (eje) en cada rueda para hacerla girar. Sitúa una de estas uniones en el centro de la primera rueda y sitúa el eje. Es un paso con dos clics. El primer paso sitúa la unión y el segundo ajusta el eje dependiendo de a dónde muevas el cursor. II. Crea un grupo con la parte móvil y la unión. Agrupando la rueda y la unión, los haremos comportarse como “una pieza”, pero no girará hasta que definamos un objeto “padre”para ella en relación al que girar.

III. Conexión de la unión a un objeto “padre” en el modelo. Usando la herramienta “conector de uniones”, conectamos el eje de la rueda al chasis. Para ello, hacemos clic en el icono de la herramienta y después en el eje; mantenemos pulsada la tecla Ctrl (Alt en Mac) y hacemos clic en el chasis. Una vez hecho esto, volvemos a pulsar en el icono del conector de uniones.

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Haciendo esto, asignamos el eje al chasis y girará en relación a éste. Como la rueda está agrupada al eje, girará a la vez que éste. Se repetirá el proceso para las tres ruedas, teniendo en cuenta que no podemos copiar el eje a las otras tres ruedas, sino que hay que crear uno nuevo para cada una. Como norma, no copies uniones, porque lleva a resultados inesperados.

Ahora es el momento de probar nuestro coche. Si hacemos clic en el icono de “PLAY”, el coche caerá hacia abajo. Nos hace falta un suelo en el que descanse nuestro vehículo. Puedes hacer un plano y asignarle la forma de “STATIC MESH” o puedes usar la auto forma “SOLID FLOOR” para hacerlo con un solo clic.

Ejecuta la aplicación y podrás tirar del coche con las ruedas girando cuando se mueve. A partir de éste punto las opciones son varias. Podrías hacer que una de las uniones fuera un motor en lugar de un eje libre, con lo que el coche se movería por sí mismo, o podrías dar pendiente al suelo con lo que el coche se movería cuesta abajo. INTENTA TÚ REPRODUCIR UNA SITUACIÓN SIMILAR A LA DE LA FIGURA SIGUIENTE.

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Si quieres ir más allá y añadir marcha atrás y dirección, continuaremos con la configuración avanzada de uniones.

5 VENTANA “INTERFAZ  DE  USUARIO”  (UI)   Ahora que hemos aprendido los conceptos más básicos de SP, veamos algunas de las características más avanzadas de que disponemos. En la barra de herramientas de SP veremos un icono con las letras UI; se trata de la ventana del interfaz de usuario (User Interface) de Sketchy Physics (UI). El UI contiene información y controles ajustables relacionados con el objeto seleccionado en el modelo. Cada vez que seleccionamos un objeto en el modelo, esta ventana muestra las propiedades generales del mismo. Esto es particularmente útil cuando examinamos las propiedades de las uniones.

El UI contiene información y controles ajustables relacionados con el objeto seleccionado en el modelo. Cada vez que seleccionamos un objeto en el modelo, esta ventana muestra las propiedades generales del mismo. Esto es particularmente útil cuando examinamos las propiedades de las uniones. Si nos detenemos en la parte inferior de la ventana UI, veremos una serie de ítems bajo el título “STATE”.

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Como ejemplo, con “showcollision” tenemos algo similar a la opción “debug” solo que en lugar de mostrar una envoltura alámbrica del objeto sólo en su posición inicial, ésta es visible a lo largo de todo el movimiento. Así, podremos ver cómo y cuándo los objetos chocan entre sí y no sólo cómo son al inicio. Otras opciones: Ignore: el objeto se comportará como si fuera un fantasma. Los demás objetos pasarán a su través como si nada. Frozen: el objeto permanece estático hasta que es golpeado por otro. Static: El objeto permanece quieto todo el rato. Los demás objetos rebotarán contra él. Staticmesh: se utiliza para modelado de superficies que actúen como suelo por el que se desplazan los objetos. En la zona superior del UI, verás numerosos ajustes para uniones como: min, max, accel, damp (rozamiento) y controller. Primero selecciona una unión y después utiliza estos ajustes para mejorar el control sobre ella. Estas opciones dependen del tipo de unión seleccionada. Algunos, todos o ninguna de estas opciones pueden estar disponibles en función del tipo de unión. Para ver lo potente que puede llegar a ser la UI, empecemos con un simple eje de giro (hinge joint) y veamos qué clase de modificaciones le podemos hacer. Por medio de la UI, podemos hacer que se comporte como un servo, o incluso como un motor personalizado con capacidad de girar hacia delante o hacia atrás. Comencemos creando un modelo simple con un eje como ejemplo. En el molino de la figura siguiente, las aspas giran sobre un eje que vamos a controlar. (Descarga

el modelo AQUÍ)

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El eje está agrupado a las aspas y conectado a la base. Si lo seleccionamos y abrimos la ventana UI, veremos las opciones del mismo. Los primeros ajustes que podemos ver son los de Max y Min, mediante los que podemos asignar un rango de movimientos al eje. En un eje normal, los ajustes por defecto son ambos de cero; en este caso, el eje gira 360º como una rueda loca. Si cambiamos estos ajustes de Min y Max a -90 y 90 respectivamente, el giro estará limitado a 90º en cada dirección desde el punto de inicio (esto podría ser útil, por ejemplo, en una puerta). Por ahora, dejaremos los ajustes por defecto. Otros dos parámetros que podemos modificar son Accel y Damp. Si asignamos al primero un valor de 1.0, veremos como las aspas acelerarán y adquirirán una velocidad cada vez mayor. Con Damp, actuamos sobre el rozamiento. Si asignamos un valor de 0.2 al mismo, las aspas acelerarán hasta alcanzar una velocidad determinada de forma que, mientras mayor sea el valor asignado al parámetro damp, menor será la velocidad estable alcanzada. Hemos convertido un eje simple en un MOTOR (una diferencia entre MOTOR y HINGE, es que el primero solo puede girar en una dirección mientras que el segundo puede girar en las dos direcciones). Lo próximo que miraremos es la línea “Controller”. En ella podremos, por ejemplo nombrar una unión. Para un eje, ésta línea está vacía por defecto. Normalmente, un eje no necesita ningún tipo de control. Siempre que ejecutamos una animación en Sketchy Physics, aparece un panel de control. Este panel contiene todas las uniones con nombre que haya en el modelo. Si ejecutáramos la animación ahora, el panel de control aparecería en blanco. Todavía no le hemos asignado a nuestro eje un controlador. Una vez que asignemos un nombre al eje, aparecerá en el panel de control al iniciar la simulación. Lo vamos a convertir en un servo con el nombre “ASPAS”. Si escribimos en la línea “controller” slider(“aspas”), al presionar RUN, el panel de control nos mostrará un deslizador para controlarlo. Ya no se comportará como un eje libre.

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Si movemos el deslizador hacia la derecha o hacia la izquierda, el eje girará en esa dirección. Si volvemos a poner -90 y 90 en min y max respectivamente, limitaremos ese giro a 90º en cada sentido. Hemos creado un servo. Podría ser útil, por ejemplo para mover el volante de un coche. Si combinamos lo visto anteriormente con los parámetros accel y damp y la línea controller, podremos hacer que las aspas giren en las dos direcciones. Mientras más lejos llevemos el deslizador, más rápido giarán las aspas. NOTA: En este ejemplo de utilización del UI, el eje es más un híbrido que un motor real. Si movemos el deslizador medio camino en cualquier dirección, el eje intentará actuar como una especie de mezcla entre servo y motor. Cuando el deslizador se desplaza hasta el extremo, actuará como un motor real. Si necesitas precisión, utiliza la unión apropiada (un motor o un servo).

Otra cosa interesante que podemos hacer es utilizar el valor de la línea “controller” para asignar el mismo nombre de controlador a múltiples uniones. Haciendo esto, se pueden controlar muchas uniones con un solo controlador (por ejemplo, las dirección de las dos ruedas del coche; podemos hacer que giren las dos ruedas y el volante con un único deslizador). Ahora que ya conoces los conceptos básicos de la UI, continuaremos añadiendo control de dirección y marcha adelante y atrás al coche de nuestro ejemplo.

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6 MÁS USOS  AVANZADOS  DE  UNIONES   Ya que tenemos algún conocimiento acerca de la UI, la utilizaremos para ponerle a nuestro coche marcha adelante y atrás y dirección. Si queremos que el coche se mueva, podemos reemplazar los ejes por motores. Esto haría girar las ruedas, pero solo en una dirección. Si queremos que giren en ambas direcciones, modificaremos las propiedades de nuestros ejes mediante la interfaz de usuario. (Puedes descargar el modelo AQUÍ para seguir con el manual)

Comenzaremos seleccionando uno de los ejes traseros y ajustando el valor de accel en la UI a uno y el de damp a 0.5. Esto le permitirá girar por sí solo. Después escribiremos en la línea “Controller” lo siguiente: slider(“drive”).

Repite los mismos pasos para la otra rueda. Asegúrate de asignar en “Controller” el mismo nombre que el del otro eje (drive) para que trabajen juntos con un deslizador. Prueba el modelo ahora. Utiliza el deslizador “drive” y comprueba que las ruedas giran en la misma dirección. Si una rueda gira en la dirección opuesta que la otra, usa la herramienta rotar para darle la vuelta a uno de los ejes.

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NOTA: NO USAR el comando del menú contextual “dar la vuelta” pues es posible que el modelo no funcione con SketchyPhysics. ¡Rotar siempre un eje utilizando las herramientas mover o rotar!. En la figura siguiente rotamos un eje para hacerlo girar en la misma dirección que la rueda del otro lado.

Prueba otra vez el modelo y asegúrate de que las ruedas giran en la misma dirección. Mueve el deslizador hacia izquierda y derecha. Ahora deberías tener marcha hacia delante y hacia atrás en tu coche. Si el coche se descontrola o las ruedas no giran de manera uniforme, juega con los ajustes del parámetro “damp” o baja el valor de “accel”. Ahora trataremos sobre la dirección del coche. Esto es un poco más complejo que la tracción puesto que debemos añadir algunos elementos más al modelo e incluso nuevas uniones. El concepto básico consiste en situar un objeto entre las ruedas y el chasis que pueda rotar horizontalmente. La forma más fácil es añadir un par de bloques al frontal del coche.

Estos bloques son grupos SEPARADOS. NO forman parte del chasis o de las ruedas, y son independientes entre sí. El próximo paso es añadir un servo a cada bloque. Agruparemos cada uno de estos servos con su bloque y después usaremos el conector de uniones para asociar cada servo al chasis. 16


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Ahora necesitamos utilizar el UI para dar a los servos de dirección el comportamiento que queremos. Ajusta el “min” y el “max” de cada servo a -45 y 45 para limitar su movimiento. Además, asignaremos a cada uno el mismo nombre para su controlador (por ejemplo, “dirección”) para que trabajen juntos; pondremos en la línea correspondiente a “controller”: slider(“dirección”). El siguiente paso es hacer que las ruedas se muevan con los bloques de dirección. Utilizaremos el conector de uniones para romper la conexión que tenían las ruedas con el chasis (usando SHIFT) y haremos una nueva conexión a su bloque de dirección (usando CTRL en Windows o ALT en Mac). Lo último que hay que hacer es modificar el chasis para que las ruedas tengan algún espacio para girar (pasos de rueda). Aquí mostramos una forma de hacerlo:

Si te quieres ahorrar parte del trabajo, descarga el modelo desde AQUÍ (el trabajo está sin acabar; acábalo tú mismo) Observa que el chasis está ahora formado por dos objetos agrupados juntos: el cuerpo principal y la nariz. Si hubiera utilizado la herramienta empujar-tirar para rebajar los pasos de rueda y hubiera dejado sólo un objeto, SP lo vería como

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una caja rectangular y las ruedas chocarían con él, con lo que el coche no podría girar. Puedes utilizar la opción “showcollision” en el UI para ver la forma real de tu chasis hasta que trabaje correctamente. Un inconveniente de cambiar el objeto original a otro formado por dos grupos es que al reagrupar las dos partes se pierden las conexiones de las uniones que habíamos hecho anteriormente, por lo que habrá que redefinirlas. Este es el punto en que a menudo la gente se frustra con el modelo porque las cosas no funcionan como deberían y los objetos se caen. Veamos algunas razones posibles de estos fallos.

7 Cuando las  cosas  van  mal   Calma, utiliza “debug” o “show collision” y examina las conexiones de las uniones. Sigue los siguientes pasos para solucionar los problemas en un modelo “testarudo”: •

Siempre que explotes un grupo, o agrupes un grupo existente con otro objeto (incluso una unión), las uniones que había originalmente conectadas a él se romperán.

Si las cosas no se mueven como debieran o parece que las uniones están forzadas, probablemente estarán atascándose contra algo (quizás algo invisible). Utiliza “debug” en tu geometría.

Si las partes unidas se caen del modelo, debes rehacer las conexiones de uniones.

Cuando todo eso falla, se puede probar borrando una unión completamente y reemplazándola por una nueva.

If you want to reference the finished model, it can be found HERE.

Un consejo para cuando pruebes el modelo: Después de presionar RUN, y antes de comenzar a mover el coche, haz clic con el botón derecho sobre el coche y selecciona la cámara en “follow”. Así no se te irá el coche fuera de la pantalla. El coche todavía está lejos de estar completo. Las uniones necesitan ser ajustadas (accel, damp, etc.). Ya tienes las herramientas necesarias para hacerlo.

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