Física na Veia!

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Hoje é o Dia Internacional da Luz
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Prof. Dulcidio Braz Júnior

Reflexão Interna Total da luz numa placa de acrílico

 

Hoje, 16 de maio de 2018, comemoramos pela primeira vez o Dia Internacional da Luz.

Trata-se de uma iniciativa global coordenada pela Unesco – Organização das Nações Unidas para a Educação, a Ciência e a Cultura com a finalidade de a cada ano, a partir de agora, promover atividades de valorização da importância da luz e do papel que ela desempenha na ciência, na cultura e na arte, bem como na educação e desenvolvimento sustentável, além de outras áreas tão distintas como medicina, comunicação e energia.

A SBPC – Sociedade Brasileira para o Progresso da Ciência é um nodo oficial do Dia Internacional da Luz no Brasil e estimulou a realização de atividades sobre a luz nesta data festiva e ao longo de toda esta semana. Fique de olho! Sociedades científicas, instituições de ensino e pesquisa, escolas, museus de ciência e planetários brasileiros vão realizar atividades para celebrar a data.

Como físico e professor, sou apaixonado pela luz e pelos fenômenos ópticos que, além de instigantes, esbanjam beleza estética para olho nenhum botar defeito. Lá no topo do post você confere uma foto que fiz de um experimento que adoro realizar em sala de aula ilustrando o confinamento óptico da luz. Note que o feixe laser, sem escolha, fica aprisionado dentro de uma barra de acrílico que, mesmo sendo transparente e envolta pelo ar igualmente transparente, obriga a luz a sofrer sucessivas reflexões ‘ziguezagueando’ em toda a extensão deste meio refringente. Trata-se do conhecido fenômeno da Reflexão Interna Total. É exatamente o que acontece nas fibras ópticas que guiam a luz de ponta a ponta (veja imagem abaixo).

Feixe de fibras ópticas guiando a luz de uma fonte laser

 

Vale lembrar que luz pulsante, que acende e apaga rapidamente, pode representar zeros (quando apaga)e uns (quando acende), exatamente os dois dígitos do código binário que codificam qualquer coisa que então pode trafegar dentro de — e entre — computadores. Essa é a alma do mundo digital!

 

O que é luz?

Para não perder a mania de professor de sempre querer ensinar, digo a você que a luz pode ser tratada como onda eletromagnética mas também pode ser encarada como sendo feita de partículas que chamamos de fótons. Assim, a melhor definição de luz é:

Se você se interessa pelo tema, veja este post que o aprofunda e foi escrito numa ação de blogagem científica coletiva coordenada pelo amigo Roberto Takata, divulgador científico dos bons, em comemoração do  IYL 2015 – International Year of Light.


Já publicado no Física na Veia!


Veja a luz como nunca viu
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Prof. Dulcidio Braz Júnior

Lunazzi_expo_01

Radiômetro de Crookes, o primeiro experimento. E o prof. Lunazzi (destaque) apresentando o
dispositivo que é praticamente um “moinho” de luz.

 

2015 foi o IYL – International Year of Light, o Ano Internacional da Luz. Dentro das comemorações oficiais no Brasil, na Unicamp – Universidade Estadual de Campinas, foi criada a exposição “Veja a luz como nunca viu”.

Ela foi pensada para atender à UPA – Universidade de Portas Abertas, evento anual da Unicamp que recebe alunos do ensino médio interessados em conhecer as atividades dos diversos institutos que compõem a Universidade.

Para a nossa sorte, a exposição sobreviveu. E continua mais viva do que nunca sob comando do seu idealizador, o prof. Dr. José J. Lunazzi do IFGW – Instituto de Física “Gleb Wataghin”, que sabe tudo de luz e de Óptica, sua especialidade há nada menos que 50 anos!

Ontem eu tinha compromisso pessoal na Universidade. Aproveitei e fiquei por lá para, depois do almoço, conhecer a exposição. Tive o privilégio de passar algumas horas com o próprio prof. Lunazzi e uma monitora (aluna da graduação) conhecendo de perto os experimentos de Óptica que, em sua maioria, podem ser reproduzidos de forma “caseira” por qualquer pessoa que tenha mínima disposição para, aproveitando materiais baratos, em alguns casos sucata, criar dispositivos que podem de alguma forma interagir de forma criativa com a luz evidenciando fenômenos ópticos. Dentre outras inúmeras ideias, vi que é possível fazer uma genial lente de água (ou qualquer outro líquido transparente) usando uma placa de vidro plano e a cobertura de vidro curvo e transparente de uma luminária de teto (plafont). Também descobri como fazer um prisma flexível de água com abertura (ou ângulo de refringência) variável. Ideias criativas e que, certamente, vou incorporar no meu kit de experimentos em Óptica que sempre carrego para as minhas aulas presenciais no ensino médio e no curso pré-vestibular.

Fica a dica! Se você estiver por Campinas ou região, vale uma esticadinha até a exposição! O lugar, improvisado dentro do antigo barracão do Laboratório de Plasma, atualmente desativado, não tem a pretensão de ter o glamour de um museu de ciências. Mas é o lugar perfeito para, segundo o prof. Lunazzi, mostrar que dá para fazer muito com muito pouco. O prof. Lunazzi faz ainda questão de dizer que prefere não dar acabamento estético perfeito aos experimentos para ficar claro que é tudo feito a mão, de forma artesanal. O importante é a criatividade. E saber aproveitar materiais que iriam pro lixo. O espírito da exposição é aproximar as pessoas do conceito “faça você mesmo”, sem medo. Genial!

Confira mais abaixo, no rodapé do post, dados de contato da exposição que, ratifico, vale a pena! Você vai se divertir. E se surpreender!

 

Alguns momentos do tour óptico

A ideia desse post não é fazer uma cobertura do evento. Vou mostrar alguns momentos do tour, até porque não quero tirar de você, possível visitante da exposição, o sabor da descoberta de cada um dos experimentos inusitados.

O primeiro experimento, mostrado na foto que abre o post, é um “moinho de luz” conhecido no meio científico por Radiômetro de Crookes. Eu já tinha avisto um ao vivo numa aula da graduação no IFGW nos anos 80. Depois disso, nunca mais. É um objeto bastante raro. Você já teve um desses ao alcance das mãos?

Os experimentos prosseguem numa pequena sala dentro do galpão do antigo laboratório desativado. Na imagem abaixo o prof. Lunazzi “materializa” um feixe de luz laser verde usando gotículas de água vindas de um vaporizador/umidificador de ar. O feixe cônico divergente ao deixar a fonte torna-se convergente depois de atravessar uma lente plano-convexa feita de água. E depois segue seu caminho, voltando a ser divergente após a passagem pela região focal. Na foto o momento exato em que o professor aproveita para falar do olho humano e o mecanismo da visão. E, usando uma placa de papel, simula a função da retina, parede se células fotossensíveis que fica no fundo do globo ocular. Confira, no Youtube, vídeo desse experimento.

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Prof. Lunazzi e o feixe cônico laser depois de atravessar uma criativa lente convergente de água

 

Ainda na imagem acima podemos conferir na parte de baixo duas caixas de vidro (como se fossem aquários) que contém os criativos prismas de água com abertura variável que pretendo reproduzir em breve. E na parede, atrás, uma câmara escura que permite observar de dentro da sala a paisagem de fora projetada sobre uma lâmina de papel vegetal semitransparente.

A próxima imagem mostra a reflexão dos raios de luz num espelho plano usando usando o artifício conhecido como projetor de fendas alinhadas com o filamento reto de uma lâmpada incandescente. Note que os raios de luz divergentes continuam se afastando depois da interação com a superfície refletora plana.

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Um espelho plano reflete os raios de luz que continuam divergentes

Mas na foto abaixo podemos ver o poder que um espelho côncavo tem de concentrar a luz. Note que um espelho côncavo tomou o lugar do espelho plano mostrado na imagem acima. Os raios de luz agora convergem para a região focal, em fenômeno análogo ao do laser verde que passou pela lente de água. A diferença é que na lente a luz se concentra por refração e no espelho por reflexão.

Vale observar que o espelho côncavo usado no experimento foi reaproveitado de um telescópio da Universidade que observava a radiação Cherenkov vinda da atmosfera e foi desativado. Jogar fora? Jamais, pelo menos para o prof. Lunazzi que deu sobrevida ao espelho de muito boa qualidade que agora virou importante instrumento didático na exposição.

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Um espelho côncavo concentra os raios de luz do feixe original divergente que se torna convergente

Abaixo o primeiro Estereoscópio de Brewster brasileiro, feito pelo próprio professor Lunazzi, usando materiais baratos e um smartphone. Como praticamente qualquer pessoa hoje tem um smarphone, o resto do material,  duas lentes e papelão, estimados em R$ 50,00, tornam o dispositivo popular. Veja-o em detalhes aqui em página oficial do professor. Google (e seus óculos virtuais) que se cuide! A versão brasileira funciona e tem custo muito baixo!

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Dani, minha esposa, testando o primeiro Estereoscópio de Brewster brasileiro

 

Depois do estereoscópio vimos filmes e fotos 3D feitas de forma “caseira” exibidas numa TV. O legal é que qualquer pessoa com um câmera comum, até mesmo de celular, pode fazer suas próprias fotos 3D. Apesar do caráter amador, o resultado surpreende e se aproxima bastante do que podemos ver no mundo profissional dos filmes 3D bastante comuns nos cinemas hoje em dia.

Muito obrigado prof. Lunazzi!  Sempre atencioso, bem humorado, e demostrando enorme prazer em compartilhar seu conhecimento fantástico acumulado em meio século de vida profissional! Minha esposa, minha filha. e eu nos divertimos bastante! Foi uma tarde inesquecível!

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Eu e o professor Lunazzi, ao final do tour óptico.


A exposição

  • Local: Avenida Albert Einstein, 851 (antigo prédio do Laboratório de Plasma), ao lado da RTV – Rádio e Televisão Unicamp. Confira no mapa abaixo. O local é praticamente na esquina da Avenida Albert Einstein com a Rua Lev Landau que parte do Ciclo Básico e passa ao lado do IFGW – Instituto de Física “Gleb Wataghin”. Clique aqui para abrir o mapa no Google Maps.
    Lunazzi_expo_MAPA
  • Dias: de segunda à sexta (temporariamente a exposição não está abrindo às quintas)
  • Horário: 14h
  • Número máximo de visitantes: 10 por vez.
  • Site: Veja a luz como nunca viu
  • Página no facebook: Facebook.com/experimenteafisica
  • Telefone de contato: (19) 35212451

Você pode agendar uma visita com antecedência. Ou aparecer, como eu, sem avisar, no horário das 14h. O prédio provavelmente estará fechado. Mas é só tocar a campainha ou ligar para o telefone acima que você será muito bem recebido para um passeio óptico divertido e inesquecível.


Veja mais

Vídeo promocional oficial do evento (sem audio)


Luz: onda ou partícula?
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Prof. Dulcidio Braz Júnior

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Do vermelho ao violeta, as sete faixas de cores do espectro visível

 

Luz é onda ou partícula?

Se eu disser que luz pode ser as duas coisas, quem não conhece Física Moderna, a Física do século 20, certamente vai achar tudo muito estranho e até mesmo contraditório.

É que na Física Quântica, um dos pilares da Física Moderna, algumas coisas podem se comportar tanto como onda como partícula. É claro que, num primeiro momento, isso é minimamente bizarro. E por isso mesmo esse comportamento dual não foi bem aceito de pronto pelos cientistas. Estamos acostumados com o nosso mundo macroscópico, muito bem descrito pelas Leis da Mecânica newtoniana, onde onda e partícula são coisas bem distintas. Mas no mundo microscópico, onde a Física Quântica funciona muito bem, os objetos estão de acordo com a bem conhecida e aceita Dualidade Onda-Partícula que afirma que uma entidade quântica pode se comportar como onda num experimento e como partícula noutro, sem nenhum problema. A natureza quântica é assim. E pronto.

Então, se alguém perguntar para você se luz é onda ou partícula, responda:

Luz_dualidade_onda-particula_01

Leia, a seguir, um pouco dessa história que deixou alguns cientistas de cabelo em pé mas que hoje é bem aceita e faz parte do repertório de conhecimento da Física Moderna e Contemporânea.

 

Maxwell e o Eletromagnetismo (1865)

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James Clerk Maxwell

Em 1865, portanto há 150 anos, James Clerk Maxwell (1831-1879) estava aprofundando seus estudos sobre o Eletromagnetismo. Ele juntou todas as ideias e leis a respeito da eletricidade e do magnetismo que existiam na época e percebeu que havia redundâncias. Talvez fosse possível reduzir toda a Eletricidade e o Magnetismo, agora vistos como uma coisa só e unificada no Eletromagnetismo, em poucas equações.

O trabalho de Maxwell no levou mais adiante a entender que apenas quatro equações (leis) propostas por outros cientistas davam conta de descrever todos os fenômenos elétricos e magnéticos. Essas equações ficaram conhecidas como Equações de Maxwell. Exatamente como na imagem abaixo, é comum apresentá-las como equações diferenciais parciais.

Luz_dualidade_onda-particula_Eqs_Maxwell1

Nas Equações de Maxwell:

  • E e B são, respectivamente, o campo elétrico e o campo magnético.
  • ρ é a densidade de carga elétrica.
  • j é a densidade de corrente elétrica.
  • μ e ε são, respectivamente, a permeabilidade magnética e a permissividade elétrica, constantes bastantes conhecidas no Eletromagnetismo.

No vácuo, na ausência de cargas (ρ = 0) e de correntes elétricas (j = 0), as Equações de Maxwell ficam mais simples. Confira.

Luz_dualidade_onda-particula_Eqs_Maxwell2

Uma possível solução das Equações de Maxwell para o vácuo, usando Cálculo Diferencial e Integral, nos leva a concluir que o campo elétrico E e o campo magnético B obedecem às expressões abaixo.

Luz_dualidade_onda-particula_Eqs_Maxwell_sol

Quem conhece bem o Cálculo Diferencial e Integral e tem bom conhecimento de Física Básica em nível universitário percebe de cara que as possíveis soluções das Equações de Maxwell dadas acima para E e B correspondem à ondas. Se não é o seu caso, relaxe. Entenda o “espírito da coisa”, sem se preocupar com a “calculeira”.

Sabemos que se uma grandeza física u se propaga como uma onda na direção x oscilando no tempo t, ela sempre obedecerá a uma equação diferencial do tipo

Luz_dualidade_onda-particula_Eq_de_onda1

onde v é a velocidade de propagação da onda.

Repare bem que, pela solução das Equações de Maxwell que apresentei logo acima, tanto E quanto B propagam-se exatamente dessa forma. Portanto, fazem parte de uma onda que, por ter um componente elétrico (E) e outro magnético (B) passamos a chamar de onda eletromagnética.

Note ainda que, na solução das Equações de Maxwell, a velocidade v de propagação dos campos E e B pode ser expressa em função das constantes μ e ε no vácuo:

Luz_dualidade_onda-particula_Eq_de_onda2

Ficou curioso em saber quanto dá o valor acima? Qualquer um ficaria!

Sabemos, do Eletromagnetismo, que os valores da permeabilidade magnética (μ) e da permissividade elétrica (ε) no vácuo, em unidades do Sistema Internacional (S.I.), são:

Luz_dualidade_onda-particula_CTEs

Com esses valores fica fácil obter o valor da velocidade v da onda eletromagnética:

Luz_dualidade_onda-particula_velocidade_calc

Conhece esse valor? É o valor da velocidade c da luz no vácuo! Incrível! Os campos E e B propagam-se com a velocidade da luz no vácuo. Logo, está provado que a luz é onda eletromagnética!

Essa descoberta unificou a Óptica Clássica bem como a Ondulatória com o Eletromagnetismo, constituindo-se num grande avanço para a Física!

Mais adiante descobriu-se que existem outras ondas eletromagnéticas além e aquém do espectro visível (que vai do vermelho ao violeta). A luz (visível) passou a ser tratada como uma estreita faixa dentro do amplo espectro eletromagnético que contém todas as ondas eletromagnéticas. Em outras palavras, a luz passou a ser considerada um “caso particular” de onda eletromagnética, as únicas ondas capazes de sensibilizar as células da retina dos nossos olhos.

 

Einstein e o Efeito Fotoelétrico (1905)

Albert_Einstein

Albert Einstein

Em 1905, quarenta anos depois de Maxwell e, portanto, há 110 anos, o jovem Albert Einstein (1859-1955), num ano extremamente produtivo da sua vida científica, escreveu cinco artigos. Todos os cinco foram relevantes para a Física.

Um deles, o que nos interessa agora, explicava de forma original e radicalmente diferente o EFE – Efeito Fotoelétrico.

Já se sabia, antes de Einstein, que luz era capaz de descarregar um eletroscópio. Logo, era conhecido o fato de que a luz poderia agir sobre cargas elétricas. O fenômeno era bem conhecido experimentalmente. Em condições controladas de laboratório, era possível arrancar elétrons de um metal usando luz. Os físicos sabiam, inclusive, que o EFE só acontecia a partir de uma determinada cor (a rigor, depois que a luz foi tratada como onda, a partir de uma determinada frequência). Mas não havia como explicar classicamente, seja pela Ondulatória ou pelo Eletromagnetismo, como a luz conseguia agir sobre as cargas elétricas!

Einstein, perspicaz e atento às novidades da Física da época, sabia que em dezembro de 1900 Max Planck (1858-1947) havia feito uma proposta ousada de que a radiação térmica, aquela que se desprende de qualquer corpo aquecido acima de 0K (Zero Absoluto), seria composta por “pacotinhos” de energia, cada qual chamado de quantum de energia. A teoria de Planck, numa tentativa desesperada para explicar a distribuição de energia da Radiação Térmica, também conhecida como Radiação de Corpo Negro, previa que os átomos, em constante agitação térmica, agiam como osciladores harmônicos. Por conterem cargas elétricas, átomos oscilando emitiam radiação, como se fossem antenas microscópicas. No equilíbrio térmico, a quantidade de energia absorvida e a quantidade de energia emitida por unidade de tempo pelos átomos oscilantes deveria ser igual. E, tanto na absorção quanto na emissão, essa energia não poderia ser contínua mas deveria ser feita em quantidades discretas E, cada qual proporcionais à frequência da radiação.

Luz_dualidade_onda-particula_Planck

Einstein gostou do conceito de quantum de Plank e imaginou que a luz, assim como a Radiação Térmica, também poderia ser “granulada”, ou seja, feita de “pacotinhos” de energia que obedeciam à mesmas regra da quantização de Planck. Em outras palavras, Einstein estava entendendo que a luz poderia ser encarada como sendo feita de partículas. Bem mais adiante, as partículas de luz foram batizadas de fótons, termo consagrado e usado atualmente.

Segundo Einstein, cada partícula de luz carregaria energia E = h.f. Ao encontrar um elétron da superfície metálica, haveria colisão. Se a energia E = h.f fosse suficiente para libertar o elétron do metal, então o EFE era disparado. Caso a partícula de luz não tivesse energia suficiente, ou seja, baixa frequência, o fenômeno simplesmente não acontecia. E, se a partícula de luz tivesse energia a mais, ou seja, com “sobra”, o excedente de energia era dado para o próprio elétron ser ejetado do metal com energia cinética, ou seja, com velocidade.

Ideia sensacional! E que descrevia com rigor todos os detalhes experimentais já bastante conhecidos do EFE.

A equação a seguir resume a concepção einsteniana do EFE.

Luz_dualidade_onda-particula_EFE

Na expressão acima, Φ é uma grandeza física conhecida como Função Trabalho e que corresponde à energia mínima para liberar os elétrons mais fracamente ligados ao metal.

Como a teoria de einstein para o EFE funcionava perfeitamente bem, os físicos tiveram que “engolir” o fato de que a luz, até então muito bem descrita como onda, também poderia se comportar como partícula!

Planck, com a Quantização da Energia da Radiação Térmica, inaugurou a Física Quântica, a Física do quantum. Einstein embarcou na ideia e fortaleceu as bases da Física Quântica apresentando uma aplicação imediata da Quantização de Planck para explicar de forma brilhante e original o EFE. Não é por acaso que, em 1921, Einstein recebeu o Nobel de Física pela sua descrição do EFE.

Mais adiante, outros trabalhos, como o de 1926 do francês Louis de Broglie (1892 -1987), fortaleceram o estranho comportamento dual das entidades quânticas.

Uma curiosidade  histórica e que merece destaque refere-se ao elétron, descoberto em 1897 como partícula pelo inglês John J. Thomson (1856-1940). Posteriormente, em 1927, George P. Thomson (1892-1975), filho de John J. Thomson, verificou padrões típicos de difração ao fazer elétrons atravessarem um filme fino de metal. No mesmo ano, acidentalmente, os americanos Clinton Joseph Davisson (1881-1958) e Lester Germer (1896-1971), nos Laboratórios Bell, obtiveram difração de elétrons em cristais. Mas difração é fenômeno típico de ondas e não de partículas! J.J. Thomson, o pai, comprovou que o elétron é partícula. E G. P. Thomson, o filho, que o elétron é onda! Graças à Física Quântica e à Dualidade Onda-Partícula, não tivemos nenhum problema familiar. E ambos, pai e filho, se destacaram no mundo da Física e foram laureados com Nobel: J. J Thomson em 1906 pelos estudos na condução elétrica em gases e G. P. Thomson em 1937, junto com  Davisson, pela comprovação experimental da difração de elétrons.

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A Física Quântica evoluiu e atravessou o século 20, mais madura do que nunca. A Dualidade Onda-Partícula passou a ser considerada um fato inquestionável no mundo quântico. Para encerrar meu texto, ratificando o que eu já disse lá no começo, a luz é uma entidade quântica. Logo, segundo a Dualidade Onda-Partícula, a luz pode ter comportamento tanto de onda quanto de partícula. E isso não tem nada de contraditório. No mundo quântico é exatamente assim. Ok?


Esse post faz parte das comemorações do Ano Internacional da Luz. E faz parte da blogagem coletiva da Semana Nacional de Ciência e Tecnologia 2015 organizada pelo amigo e blogueiro Roberto Takata.

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Feliz 2015, Ano Internacional da Luz!
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Prof. Dulcidio Braz Júnior

IYL2015_Logo

Logotipo oficial do IYL 2015 – Ano Internacional da Luz e suas Tecnologias

 

Hoje é o primeiro dia de 2015, Ano Internacional da Luz (a rigor, Ano Internacional da Luz e suas Tecnologias).

A escolha foi feita durante a  a 68ª Sessão da Assembleia Geral das Nações Unidas que aconteceu em 20 de dezembro de 2013.

O Ano Internacional da Luz é uma iniciativa mundial que vai unir pessoas físicas e jurídicas ligadas à Ciência, Tecnologia e Educação para destacar  a importância da luz e e suas tecnologias nas nossas vidas.

O Física na Veia! não vai ficar fora dessa! Esse é o primeiro post anunciando o evento mundial. Muitos outros virão e a luz será a nossa grande pop star!

A SNCT – Semana Nacional da Ciência e Tecnologia, evento oficial do MCTI – Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação, em sua 12ª edição (outubro de 2015), estará ancorada no tema luz em sintonia com o Ano Internacional da Luz.

Aproveito a oportunidade para desejar a você

FELIZ 2015

com muita saúde e muita LUZ!

Feliz2015_luze


  Para saber mais


O Física na Veia! já foi blog oficial em outras comemorações internacionais:

  • 2005 – Ano Internacional da Física
  • 2009 – Ano Internacional da Astronomia (confira aqui e confira na plataforma antiga do blog)

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