08-Le tassellazioni dello spazio.pdf
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LE TASSELLAZIONI DELLO SPAZIO<br />
In questo capitolo vogliamo mostrare esempi di poliedri che hanno la singolare e attraente proprietà<br />
di tassellare lo <strong>spazio</strong>. Si tratta di poliedri che, una volta disposti con le facce coincidenti, sono in<br />
grado di riempire completamente lo <strong>spazio</strong> senza lasciarvi buchi e fessure.<br />
Oltre a mostrare alcuni di questi poliedri, ci interessa spiegare il motivo per cui essi tassellano lo<br />
<strong>spazio</strong>. Per farlo useremo semplici considerazioni che sfruttano proprietà e caratteristiche spesso già<br />
incontrate in altri capitoli.<br />
Il punto di riferimento e di partenza è il cubo, prima di tutto perché il cubo è un poliedro che<br />
tassella lo <strong>spazio</strong>, ma poi anche perché abbiamo con il cubo una familiarità di lunga data, che ci<br />
permette di “vederlo” meglio di tutti gli altri poliedri. Quest’ultima può sembrare una considerazione<br />
scontata, ma una delle difficoltà della tassellazione <strong>dello</strong> <strong>spazio</strong> è proprio quella di vedere<br />
fisicamente la disposizione dei poliedri che la compongono. Infatti, a differenza dei poligoni che<br />
pavimentano il piano, i poliedri che tassellano lo <strong>spazio</strong> “nascondono” dietro di loro altri poliedri,<br />
rendendone ostica anche una parziale visualizzazione, per non parlare della loro rappresentazione su<br />
un piano.<br />
Inoltre partiamo dal cubo perché ormai, dopo averlo sezionato e smussato in tanti modi diversi con<br />
uno o più piani, lo conosciamo in modo approfondito. Proprio i solidi che si generano dividendo<br />
con uno o più piani un cubo ci permetteranno di costruire, in alcuni casi, poliedri più complessi che<br />
tassellano lo <strong>spazio</strong>.<br />
Quindi la nostra ricerca si concentrerà su tali poliedri, peraltro in gran parte già incontrati nei<br />
precedenti capitoli perché interessanti per le loro regolarità e simmetrie. <strong>Le</strong> principali <strong>tassellazioni</strong><br />
che esamineremo coinvolgono i seguenti solidi:<br />
ottaedri tronchi;<br />
ottaedri e cubottaedri;<br />
ottaedri e cubi tronchi;<br />
ottaedri e tetraedri;<br />
tetraedri e tetraedri tronchi;<br />
dodecaedri rombici.<br />
Come vedremo, alcune di queste <strong>tassellazioni</strong> condurranno spontaneamente a trovarne altre, in un<br />
gioco di ricerca che in questo capitolo è ben lungi dall’essere esaurito. Anche per questo alla fine<br />
sono presentati alcuni problemi che possono aiutare a scoprire altre <strong>tassellazioni</strong>.<br />
Un’ultima avvertenza: si farà un uso molto frequente e un po’ disinvolto delle figure. In realtà le<br />
figure sono tragicamente inefficaci nel raffigurare lo <strong>spazio</strong> tridimensionale, soprattutto se questo<br />
<strong>spazio</strong> è riempito di poliedri. Ma i riferimenti saranno comunque frequenti e non sempre espliciti<br />
perché le figure sono qui più che mai un completamento del testo, il quale a sua volta non sempre è<br />
abbastanza espressivo ed esauriente. In queste pagine mancano inevitabilmelte i modelli dei solidi,<br />
che, pur nella loro imperfezione, sono gli oggetti più efficaci per introdurre la tassellazione <strong>dello</strong><br />
<strong>spazio</strong>.<br />
1
1. Tassellazione con ottaedri tronchi<br />
Come suggerisce il nome, l’ottaedro tronco si ottiene troncando i vertici dell’ottaedro. Già<br />
sappiamo (vedere Togliere pezzi) che affinché le facce siano tutte poligoni regolari, in questo caso<br />
esagoni e quadrati, occorre che i piani che tagliano l’ottaedro passino da punti che dividono lo<br />
spigolo in parti una doppia dell’altra.<br />
Figura 1: Ottaedro tronco<br />
L’ottaedro tronco è un solido archimedeo che da solo tassella lo <strong>spazio</strong>. Per dimostrarlo osserviamo<br />
che l’ottaedro tronco si può ottenere anche da un cubo. Ecco come: tagliamo un cubo con un piano<br />
perpendicolare alla diagonale del cubo e passante per il punto medio della stessa (figura 2). Come<br />
già abbiamo visto in Cubo in pezzi, tale taglio crea due solidi, ognuno di volume metà del volume<br />
del cubo, e avente 7 facce una delle quali è una faccia esagonale regolare.<br />
Riesaminiamo tutte le facce di questo solido: oltre alla faccia esagonale (che ha per vertici 6 dei<br />
punti medi degli spigoli del cubo iniziale), altre tre facce sono dei triangoli rettangoli isosceli e altre<br />
tre sono pentagoni con tre angoli retti.<br />
Figura 2: Solido, parte del cubo, che presenta una faccia esagonale regolare<br />
2
Ma questo solido è una parte anche dell’ottaedro tronco. Infatti, se si incollano tra loro (vedi figura<br />
3) otto poliedri come questi facendo aderire tra loro le facce pentagonali si ottiene un solido con 8<br />
facce esagonali e 6 facce quadrate.<br />
Figura 3: Otto solidi formano l’ottedro tronco<br />
Ed ecco perché si può affermare che l’ottaedro tronco tassella lo <strong>spazio</strong>: i cubi tassellano lo <strong>spazio</strong>,<br />
ma ogni cubo che tassella lo <strong>spazio</strong> può essere scomposto in due pezzi aventi una faccia esagonale.<br />
Rimuoviamo ora uno dei due pezzi. Se disponiamo i cubi in modo da incollare le facce pentagonali<br />
del pezzo rimasto, in blu in figura 3 o in figura 4, allora si formano degli ottaedri tronchi, uno ogni<br />
otto pezzi.<br />
Lo <strong>spazio</strong> rimanente, vedi figura 4 in basso, è quello lasciato dai pezzi rimossi, ciascuno dei quali è,<br />
a sua volta, parte di un ottaedro tronco. L’intero <strong>spazio</strong> viene così riempito da ottaedri tronchi.<br />
Figura 4<br />
3
Figura 4: porzione di una tassellazione con ottaedri tronchi<br />
2. Tassellazione con ottaedri e cubottaedri<br />
Il cubottaedro è un cubo al quale sono stati smussati i vertici fino a ottenere 6 facce quadrate e otto<br />
facce triangolari.<br />
Figura 5: cubottaedro<br />
I cubottaedri da soli non possono quindi tassellare lo <strong>spazio</strong> perché una volta affiancati rimane da<br />
riempire lo <strong>spazio</strong> creatosi dopo aver smussato il cubo.<br />
Tale <strong>spazio</strong> è riempito esattamente da solidi con 8 facce triangolari uguali. Si tratta di ottaedri di<br />
spigolo uguale a quello del cuboattedro.<br />
Figura 6: cubottaedri e ottaedri<br />
4
Anche in questo caso possiamo capire meglio che si tratta proprio di ottaedri utilizzando le sezioni<br />
del cubo.<br />
Sappiamo infatti che tagliando un cubo con un piano perpendicolare alla diagonale e passante per<br />
un vertice del cubo si ottiene una sezione a forma di triangolo equilatero. I vertici del triangolo<br />
equilatero sono 3 dei vertici del cubo e il cubo viene scomposto in due poliedri, rappresentati dalla<br />
figura sotto da un solido blu e da un solido rosso.<br />
Figura 7<br />
Visto che il cubo tassella lo <strong>spazio</strong>, allora anche la coppia solido blu - solido rosso tassella lo<br />
<strong>spazio</strong>. D’altra parte otto solidi blu incollati tra loro lungo le loro facce quadrate formano un<br />
cubottaedro. Otto solidi rossi incollati lungo le loro facce triangolari isosceli formano invece un<br />
ottaedro regolare.<br />
Figura 8<br />
Possiamo quindi immaginare lo <strong>spazio</strong> tassellato da cubi composti da solidi blu e solidi rossi,<br />
disposti in modo tale che i solidi blu formino dei cubottaedri e i solidi rossi formino degli ottaedri,<br />
come già illustrato dalla figura 7.<br />
5
3. Tassellazione con ottaedri e cubi tronchi<br />
Con il procedimento visto sopra possiamo ottenere una tassellazione formata da ottaedri e cubi<br />
tronchi.<br />
Infatti il cubo tronco è un cubo al quale sono stati smussati i vertici, stavolta però in modo da<br />
ottenere 8 facce triangolari e 6 facce ottagonali regolari.<br />
Figura 9<br />
Dato che anche il cubo tronco possiede facce triangolari perpendicolari alla diagonale del cubo<br />
(vedere Togliere pezzi...), lo <strong>spazio</strong> che rimane vuoto affiancando cubi tronchi ha la stessa forma del<br />
caso precedente e può essere riempito da ottaedri regolari.<br />
Figura 10<br />
La spiegazione che utilizza le sezioni del cubo è molto simile alla precedente. Stavolta il cubo che<br />
tassella lo <strong>spazio</strong> è scomposto in due poliedri, uno dei quali, quello rosso (vedi figura 12) è ancora<br />
un ottavo di ottaedro, mentre l’altro solido, quello blu, è un ottavo di cubo tronco.<br />
6
4. Tassellazione con ottaedri e tetraedri<br />
Figura 11<br />
E’ possibile tassellare lo <strong>spazio</strong> anche con ottaedri e tetraedri e poiché i due solidi sono poliedri<br />
regolari, questa tassellazione è particolarmente interessante anche se forse meno immediata da<br />
vedere rispetto alle <strong>tassellazioni</strong> appena trattate.<br />
Per apprezzarla meglio, e incontrare proprietà di poliedri che hanno che fare con gli ottaedri e i<br />
tetraedri, affrontiamo questo argomento da tre diversi punti di vista:<br />
1) Cinque tetraedri che compongono il cubo;<br />
2) Stella octangula;<br />
3) Piramidi a base quadrata.<br />
1) Cinque tetraedri che compongono il cubo<br />
In questo primo ragionamento utilizziamo ancora il cubo.<br />
Abbiamo visto più volte (Dal cubo a… e Cubo in pezzi) come ottenere una piramide a base<br />
triangolare equilatera tagliando un cubo con un piano: è sufficiente che il piano sia perpendicolare<br />
ad una diagonale, se poi questo piano passa anche per un vertice per la simmetria del cubo rispetto<br />
alla diagonale, passa anche per altri due vertici del cubo.<br />
7
Da un solo cubo possiamo ottenere quattro piramidi siffatte, tagliandolo quattro volte, ogni volta<br />
con un piano perpendicolare ad una delle diagonali.<br />
Figura 12<br />
Il solido che rimane togliendo dal cubo le quattro piramidi è un tetraedro regolare: le 4 facce, uguali<br />
fra loro, sono triangoli equilateri; gli spigoli sono diagonali delle facce del cubo.<br />
Figura 13<br />
A questo punto possiamo usare l’argomento già usato in precedenza: i cubi tassellano lo <strong>spazio</strong>,<br />
quindi anche le quattro piramidi e il tetraedro tassellano lo <strong>spazio</strong>. Ma i cubi che tassellano lo <strong>spazio</strong><br />
possono essere disposti in modo che le facce triangolari isosceli delle piramidi vadano a coincidere.<br />
Se questo succede, nei vertici comuni dei cubi si incontrano 8 piramidi che, come già sappiamo,<br />
costituiscono un ottaedro.<br />
8
2) Stella octangula.<br />
Figura 14<br />
Un altro modo per vedere la stessa tassellazione sfrutta un altro poliedro già incontrato: la stella<br />
octangula (vedere Aggiungere pezzi).<br />
La stella octangula, costituita dall’unione di due tetraedri regolari uguali disposti in modo che i loro<br />
spigoli si intersechino ad angolo retto nel loro punto medio, ha tre proprietà che qui ci interessano:<br />
può essere inscritta in un cubo;<br />
l’intersezione dei due tetraedri è un ottaedro regolare;<br />
è formata da un ottaedro sulle facce del quale sono stati incollati dei tetraedri.<br />
Figura 15: proprietà della stella octangula<br />
Il volume che la stella octangula lascia vuoto nel cubo in cui è inscritta può essere riempito da 12<br />
poliedri (uno per ogni spigolo del cubo) tutti uguali tra loro (vedi figura 17).<br />
9
Figura 16<br />
Tali poliedri, tetraedri irregolari aventi due facce triangolari equilatere, non sono altro che “quarti”<br />
di ottaedro, e per di più quarti di un ottaedro uguale all’ottaedro i cui vertici sono i centri delle facce<br />
del cubo iniziale.<br />
Il cubo nel quale è inscritta la stella octangula si può vedere allora come la somma di un ottaedro (il<br />
“cuore” della stella octangula), di 8 tetraedri (le “punte” della stella) e di 8 “quarti” di ottaedro (gli<br />
spazi rimasti vuoti).<br />
Se tasselliamo lo <strong>spazio</strong> con cubi identici e con la stessa composizione, i quarti di ottaedro si<br />
saldano tra di loro formando ottaedri e lo <strong>spazio</strong> viene così riempito solo da ottaedri e tetraedri.<br />
Figura 17<br />
10
3) Piramidi a base quadrata.<br />
La tassellazione <strong>dello</strong> <strong>spazio</strong> con ottaedri e tetraedri si può anche dimostrare (quasi) senza parole,<br />
con un unico avvertimento (dovuto al solito problema della rappresentazione nel piano di figure<br />
tridimensionali): nella figura seguente le due piramidi hanno base quadrata e facce laterali a forma<br />
di triangolo equilatero.<br />
Figura 18<br />
Come si vede (attenzione anche alle linee tratteggiate) il tetraedro si incunea perfettamente fra le<br />
due piramidi, due delle sue facce coincidono con due facce delle piramidi, le altre sono complanari<br />
ad altre facce delle piramidi.<br />
Vediamo ora come sono disposti i tetraedri e gli ottaedri all’interno della tassellazione.<br />
Ogni ottaedro è circondato da 8 tetraedri (come nella stella octangula); ogni tetraedro è circondato a<br />
sua volta da 4 ottaedri.<br />
Attorno ad ogni spigolo si incontrano 4 pezzi (2 sono tetraedri e 2 sono ottaedri); attorno ad ogni<br />
vertice si incontrano 14 pezzi: 8 tetraedri e 6 ottaedri (è difficile vederlo con disegni, perché alcuni<br />
pezzi ne nascondono altri, si vede però bene con i modeli solidi). Inoltre attorno ad ogni vertice si<br />
incontrano 12 spigoli.<br />
La figura seguente mostra diversi spaccati della tassellazione che possono in parte aiutare nei<br />
conteggi precedenti (in blu gli ottaedri, in grigio i tetraedri).<br />
Figura 19<br />
11
In particolare la figura più a sinistra suggerisce che la tassellazione è formata da piani paralleli con<br />
4 diverse orientazioni. Questi piani contenenti le facce delle celle mostrano la pavimentazione del<br />
piano con triangoli equilateri (vedi anche la figura più a destra).<br />
Una delle immagini più suggestive della tassellazione con ottaedri e tetraedri appare nella litografia<br />
Platelminti di M. C. Escher.<br />
Da notare come la tassellazione tetraedro-otteaedro si osserva non solo sullo sfondo di questo<br />
mondo, ma anche in forme geometricamente notevoli negli anfratti e nei ponti che uniscono le<br />
pareti.<br />
12
5. Tetraedri e tetraedri tronchi che tassellano lo <strong>spazio</strong><br />
Abbiamo visto come ottaedri e tetraedri tassellano lo <strong>spazio</strong>. Se si accostano opportunamente 6<br />
tetraedri (in grigio nel centro della figura 21, dove due tetraedri rimangono nascosti) e 4 ottaedri (in<br />
viola) è possibile formare un tetraedro tronco.<br />
Si tratta di un solido archimedeo che si ottiene usualmente troncando un tetraedro regolare in modo<br />
che si formino 3 facce a forma di triangolo equilatero e 3 facce a forma esagonale regolare (vedere<br />
Togliere pezzi).<br />
Figura 20<br />
Si spiega allora come si possa tassellare lo <strong>spazio</strong> con tetraedri tronchi e tetraedri regolari: si tratta<br />
in realtà della tassellazione ottaedri – tetraedri, rivista però con i poliedri “raggruppati” in modo<br />
diverso.<br />
Figura 21<br />
13
6. Tassellazione con dodecaedro rombico<br />
Anche la tassellazione <strong>dello</strong> <strong>spazio</strong> da parte di dodecaedri rombici è facile da comprendere a partire<br />
dal cubo.<br />
Un cubo è composto da sei piramidi uguali aventi per base una faccia del cubo e per vertice il<br />
centro del cubo.<br />
Figura 23<br />
Se le basi delle sei piramidi (da ora in poi chiamate piramidi 1/6) vengono incollate all’esterno di un<br />
cubo uguale a quello dalle quali sono state ottenute, si ottiene un dodecaedro rombico (Cubo in<br />
pezzi e I risvolti segreti del dodecaedro rombico). Si osservi che le diagonali minori delle facce<br />
romboidali coincidono con gli spigoli del cubo.<br />
14
Figura 24<br />
Ora, se attacchiamo alle facce del dodecaedro altri dodecaedri uguali, i cubi formano una specie di<br />
scacchiera in tre dimensioni in cui ogni cubo è circondato da 6 piramidi, ognuna delle quali è 1/6 di<br />
un altro cubo. Nella figura sotto si vede una visione parziale di questa scacchiera.<br />
Figura 25<br />
Nella tassellazione ogni dodecaedro rombico è circondato da altri 12 dodecaedri; nei vertici del<br />
dodecaedro dove convergono 4 spigoli si incontrano 6 dodecaedri, invece nei vertici dove<br />
convergono 3 spigoli, si incontrano 4 dodecaedri.<br />
Ecco altre porzioni di questa tassellazione.<br />
Figura 26<br />
15
La tassellazione <strong>dello</strong> <strong>spazio</strong> con il dodecaedro rombico ci riporta anche alla tassellazione con<br />
ottaedri e tetraedri .<br />
Il tetraedro è composto da quattro piramidi uguali aventi per base una faccia del tetraedro e per<br />
vertice il centro del tetraedro stesso (da ora in poi piramide ¼) (vedere Cubo in pezzi).<br />
Figura 27<br />
Incollando su ogni faccia di un ottaedro la faccia triangolare di una piramide ¼, tale che i due<br />
triangoli che devono combaciare abbiano uguale lato, si ottiene un dodecaedro rombico (vedere Dal<br />
cubo al…). Si noti anche che le diagonali maggiori delle facce romboidali coincidono con gli<br />
spigoli dell’ottaedro.<br />
Figura 28<br />
A questo punto congiungendo gli ottaedri inscritti nei dodecaedri tramite gli spigoli si riproduce la<br />
tassellazione ottaedro-tetraedro, con al posto dei tetraedri le quattro piramidi ¼ che insieme<br />
costituiscono i tetraedri stessi.<br />
16
Figura 29<br />
C’è poi un’altra tassellazione che può essere vista come una variante della tassellazione con<br />
tetraedri tronchi e tetraedri. In quest’ultima ogni tetraedro è circondato da 4 tetraedri tronchi<br />
disposti tutti nello stesso modo. Allora, dividendo ogni tetraedro in quattro tetraedri uguali e<br />
incollando un quarto di tetraedro su ognuna delle facce triangolari del tetraedro tronco si ha un<br />
solido con 16 facce (4 esagonali e 12 triangolari, a sinistra nella figura sotto) che tassella lo <strong>spazio</strong><br />
(a destra nella figura sotto).<br />
Figura 30<br />
17
7. Altre <strong>tassellazioni</strong> derivanti dal dodecaedro rombico<br />
Visto che il dodecaedro rombico tassella lo <strong>spazio</strong>, una scomposizione del dodecaedro rombico in<br />
parti uguali genera altri poliedri che tassellano lo <strong>spazio</strong>.<br />
Una di queste scomposizioni è costituita dall’esaedro che si forma tagliando il dodecaedro rombico<br />
con piani passanti dal centro del dodecaedro e dalle diagonali maggiori dei rombi. Questo esaedro si<br />
può ottenere anche incollando tra loro le facce equilatere di due piramidi: la piramide ¼ e la<br />
piramide che rappresenta 1/8 di ottaedro (piramide 1/8).<br />
Figura 31<br />
Un altro poliedro che tassella lo <strong>spazio</strong> è l’ottaedro (non regolare) che si ottiene incollando le basi<br />
di due delle piramidi 1/6. Il dodecaedro rombico è infatti formato da 6 ottaedri di questo tipo.<br />
Figura 32<br />
Naturalmente anche la piramide 1/6 tassella lo <strong>spazio</strong>.<br />
La stessa proprietà è valida per il poliedro concavo rappresentato a destra nella figura seguente,<br />
composto da 3 piramidi 1/6 poste su 3 facce adiacenti del cubo.<br />
Figura 33<br />
18
Allora anche il solido (concavo) ottenuto incollando sulle 3 facce quadrate (e poi sulle successive<br />
facce quadrate che compaiono man mano) altri poliedri <strong>dello</strong> stesso tipo (figura sotto a sinistra)<br />
tassella lo <strong>spazio</strong>:<br />
Figura 34<br />
Quest’ultimo solido che tassella lo <strong>spazio</strong> può essere visto come la compenetrazione di 3 ottaedri<br />
non regolari congruenti, ottaedri che si ottengono incollando tra loro le facce quadrate di due<br />
piramidi 1/6.<br />
Figura 35<br />
Si tratta inoltre di un solido notevole, parente del dodecaedro rombico: il dodecaedro rombico<br />
stellato. Come si vede nella Figura 36, su ognuna delle facce di un dodecaedro rombico compare<br />
una piramide con quattro facce laterali.<br />
Figura 36<br />
19
Nella litografia Cascata di M.C. Escher, una delle figure impossibili più famose, lo sguardo viene<br />
catturato dal percorso dell’acqua e dalla struttura delle torri (triangolo di Penrose), ma in cima alle<br />
torri ci sono due poliedri. Quello a destra è proprio il dodecaedro rombico stellato.<br />
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8. Problemi e ulteriori questioni<br />
1) Considera le piramidi di base quadrata, il cui piede dell’altezza coincide con uno dei vertici<br />
del quadrato di base. Tra tutte queste piramidi considera quella di altezza uguale allo spigolo<br />
del quadrato e quella di altezza uguale a metà del lato quadrato. Dimostra che ciascuna di<br />
queste due piramidi tassella lo <strong>spazio</strong>.<br />
2) Ad ogni faccia di un tetraedro regolare viene incollata una piramide che rappresenta un<br />
ottavo di ottaedro regolare. Dimostra che il solido che si forma tassella lo <strong>spazio</strong>.<br />
3) Considera l’ottaedro in figura. Su ciascuna delle quattro facce verdi incolla un tetraedro<br />
regolare. Quante facce ha il solido risultante?<br />
4) Il poliedro a sinistra in figura è ottenuto tagliando con un piano passante da tre vertici del<br />
cubo che sta sotto due cubi impilati uno sull’altro.<br />
a) Verifica che tale poliedro tassella lo <strong>spazio</strong>.<br />
b) Tre di questi poliedri disposti opportunamente formano, insieme a un cubo,<br />
l’eptaedro con la faccia esagonale già incontrato svariate volte. Trova questa<br />
disposizione.<br />
5) Un modo alternativo per trovare poliedri che tassellano lo <strong>spazio</strong> sfrutta i parallelipedi.<br />
Infatti i parallelepipedi, come il cubo, tassellano lo <strong>spazio</strong>. Se troviamo una disposizione di<br />
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poliedri che forma un parallelipedo, allora quella disposizione tassella lo <strong>spazio</strong>. Utilizzando<br />
questa osservazione, dimostra che i tetraedri tronchi e i tetraedri tassellano lo <strong>spazio</strong>.<br />
6) Un altro modo ancora per trovare poliedri che tassellano lo <strong>spazio</strong> consiste nel fare<br />
riferimento alla pavimentazione del piano. Infatti prismi che hanno per base poligoni che<br />
pavimentano il piano, tassellano lo <strong>spazio</strong>. Utilizzando questa osservazione, dimostra che il<br />
poliedro in figura, ottenuto incollando due prismi triangolari lungo una faccia laterale<br />
quadrata, tassella lo <strong>spazio</strong>.<br />
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