Tema 2: Medimos para conocer mejor

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Tema 2: Medimos para conocer mejor
Medimos con reglas, cintas métricas, relojes, balanzas, termómetros, voltímetros, etc. Todas estas
medidas nos dan información para realizar tareas cotidianas de forma eficiente y fiable.
En ciencia tenemos que medir para conocer con más detalle el mundo que nos rodea y a la vez poder
buscar leyes en forma de relaciones matemáticas, que es la forma en que hoy mejor se pueden
interpretar los fenómenos que ocurren en el Universo.
"Cuando puedes medir aquello de lo que hablas, y expresarlo con números, sabes algo
acerca de ello; pero cuando no lo puedes medir, cuando no lo puedes expresar con
números, tu conocimiento es pobre e insatisfactorio: puede ser el principio del
conocimiento, pero apenas has avanzado en tus pensamientos a la etapa de ciencia" (Lord
Kelvin)
¿Qué chica es más alta en el dibujo?
¿Qué figura es mas grande?
Mide con tu regla. La medida nos resuelve definitivamente la duda. ¿Coincide con la apariencia?
Mediante instrumentos, el hombre ha aprendido a detectar niveles y señales inaccesibles a nuestros
sentidos. Telescopios, miscroscopios, micrófonos, detectores de radiación, recptores de radio y
muchos más. Los instrumentos nos han mostrado mundos que antes estaban ocultos y también los
hemos medido para poder explicarlos mejor.
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1. Las cosas que se miden
Actividad
¿Qué entendemos por magnitud?
Llamamos magnitud a todo aquello que podemos medir. Son
magnitudes físicas la masa, el tiempo, la velocidad, la fuerza, la
energía, la temperatura, etc.
Escribe tres ejemplos de magnitudes físicas y otros tres de cualidades que no son
magnitudes físicas
Las cosas que medimos pueden tener distintos
nombres y sin embargo corresponer a una misma
magnitud.
La longitud L, es la distancia entre dos puntos.
Son medidas de longitud el ancho, el alto, el fondo, el grosor, la profundidad. Todo lo que se pueda
expresar con la misma unidad es una única magnitud aunque tengan nombres distintos.
Actividad
¿Cómo se expresa una medida?
Una medida se expresa mediante una cantidad y una unidad. Decimos por ejemplo
"he comprado 3 metros de tela". 3 es la cantidad y la unidad es el metro.La magnitud
medida es la longitud.
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a) Mi banca mide 75 cm de alta.
b) El tiempo que dura la clase es de 60 min.
c) Compré tres kilos de tomates.
d) Esa moto va a 80 km/h.
e) Estamos a 35 ºC.
F) Es capaz de beberse dos litros de Coca-Cola.
Vamos a reflexionar sobre cómo se hace una
medida. Supongamos que tenemos que medir una
longitud y no tenemos metro, ni cinta ni ningún
otros instrumento. Podemos utilizar como unidad
un paso, la mano extendida (palmo), el pie, o la
pulgada (última falange del dedo pulgar).
Por ejemplo la mesa mide 5 palmos, la clase tiene
15 pasos de larga, el libro mide 5 pulgadas.
¿Pero qué pasaría si estas medidas las hicieran
distintas personas?
Las medidas saldrían distintas y sería dificil
entendernos. Por eso es conveniente que haya un
sistema internacional que defina con precisión las
unidades.
Actividad
¿Cómo se mide?
Medir una magnitud es compararla con un valor que tomamos como unidad y ver
cuántas veces la que medimos contiene a la unidad. El sistema internacional (SI) es
un acuerdo para la utilización por todos los países de las mismas unidades.
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2. ¡Necesitamos un acuerdo!
El Sistema Internacional de Unidades
En 1960 se creó el Sistema Internacional de Unidades cuya abreviatura es SI. En España se aprobó
en 1987.
Toda la comunidad científica aceptó este sistema unificado de
unidades físicas. A la derecha podemos ver el cilindro que se
utilizó de patrón del kilogramo.
Sus magnitudes y unidades fundamentales son estas:
Magnitud
Unidad
Masa (M)
Kilogramo (kg)
Longitud(L)
Metro (m)
Tiempo (T)
Segundo (s)
Temperatura (θ)
Grado Kelvin (ºK)
La intensidad de corriente(I)
Amperio(A)
La intensidad luminosa (I )
Candela(cd)
La cantidad de sustancia(n)
El mol (mol)
l
Si la magnitud que se mide es muy grande utilizaremos múltiplos que se relacionan con la unidad
mediante potencias de diez con exponente positivo.
La distancia entre Almería y Granada es de 180 km.
3
1 km = 1000 m = 10 m
Si por el contrario la magnitud es más pequeña que la unidad, la relación se establece mediante una
potencia de diez con exponente negativo.
El espesor de un folio es de 0,07 mm
1 mm = 0.001 m = 10
-3
m
El espesor de un folio se puede expresar así: 0,07 mm = 0,07. 10
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-3
-2
-3
m = 7.10 . 10
-5
m = 7.10 m
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Múltiplos y submúltiplos
Para medir objetos pequeños o grandes en comparación con las unidades del SI se
utilizan múltiplos y submúltiplos.
Si la magnitud que se mide es muy grande utilizaremos múltiplos que se relacionan
con la unidad mediante potencias de diez con exponente positivo.
Prefijo
Símbolo
Factor
Giga
Mega
Kilo
Hecto
Deca
Deci
Centi
Mili
Micro
Nano
G
M
k
h
da
d
c
m
µ
n
10
10
10
9
10
6
10
3
10
2
-1
10
-2
10
-3
10
-6
10
-9
La notación científica
Para valores muy grandes o muy pequeños es conveniente
utilizar las potencias de 10. Por ejemplo:
8
La velocidad de la luz es de 300 000 000 m/s = 3.10 m/s
El diámetro de un átomo es 0,000 000 000 064 m = 6,4.
-11
10
m
Se ve claro que la notación científica es más clara y
elegante. Tenemos que tener claro que cuando la potencia
de 10 es positiva nos dice lo grande que es ya que es
equivalente al número de ceros que hay que añadir al
número.
Si la potencia es negativa, nos indica lo pequeño que es, y
representa lo que hay que desplazar la coma hacia la
izquierda.
Actividad
Para pasar a notación científica, el número se expresa con una parte entera de un
único digito distinto de cero y una parte decimal, todo ello multiplicado por una
20
potencia de 10. Ejemplo 6,23.10
Ejemplos: Vamos a poner con tres cifras de precisión en notación científica estos números tan
complicados de leer.
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a) 2383451298 cm ---->Dejamos tres cifras 2,38, una entera y las demás decimales. Vemos cuántos
lugares hay que desplazar la coma desde las unidades hacia la derecha (9 lugares) porque es un
9
número mayor que 1 ------------>2,38.10 cm
b) 0,000 000 000 27 185 g ----> Dejamos también tres cifras 2,72 ( hemos redondeado los 185 g
-10
por 200 g). La coma se ha desplazado 10 lugares---------> 2,72.10
g
Para operar con estos números hay que recordar que cuando se multiplican potencias de la misma
base se suman los exponentes y cuando se dividen se restan.
5
2
1,67.10 .2,81.10 = 1,67. 2,81. 10
5+2
7
= 4,6827.10 ----> 4,68.10
7
Pasa a notación científica con tres cifras de precisión los siguientes números:
a) 3420100
b) 0,00000367201
Actividad
Medida directa es aquella que se hace con el instrumento de medida de esa
magnitud. Por ejemplo cuando medimos la longitud de un campo de fútbol con una
cinta métrica estamos haciendo una medida directa.
Medida indirecta es la que se otiene haciendo un cálculo a partir de otras magntudes
medidas. Por ejemplo, cuando queremos saber la superfcie del campo de fútbol para
cubrirlo de césped artificial tenemos que multiplicar el largo por el ancho.
2
Superficie S = a.b. El resultado son lo m que tendremos que comprar de césped.
Eso es una medida indirecta.
La mayor parte de las medidas son indirectas. El valor de la medida se obtiene a partir
de un cálculo
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Cómo medir la superficie útil tu casa
¿Qué
necesitamos?
Un
cuaderno cuadriculado o folios
de papel milimetrado, lápiz,
regla, borrador, calculadora y
una cinta métrica, cuanto más
larga mejor porque así las
medidas serán más exactas.
Para dibujar la planta, vamos
habitación
por
habitación
midiendo
el
ancho
y
multiplicando por el largo:
4,20 metros de largo por 3,50
de ancho, nos da que esa
habitación tiene un superficie
14,70 m².
Cuando le falta un trozo se le
resta esa superficie. Si el trozo
es triangular se calcula usando
la fórmula del área del
triángulo:
Area = Base x altura/2 = B.h/2
Haz el cálculo de la superficie útil de la habitación de la figura sabiedo que el dbujo
está hecho a una escala 1:50 (por cada unidad del papel 50 de la realidad).
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3. Todo, todo al sistema internacional
Aunque podamos expresar las medidas con distintas unidades tenemos que aprender a convertirlas
al Sistema Internacional para poder utiizarlas en las fórmulas.
Vamos a ver ejemplos de como convertir medidas a unidades del SI en el caso de magnitudes
fundamentales:
Longitud
1 cm = 10
-2
1 mm = 10
-3
3
Tiempo
m
Masa
4 cm = 0,04 m = 4 . 10
1 min = 60 s
-3
m 1 hora = 60 min =
1 km = 10 m
Ejemplos
=60 x 60 s = 3600s
1 g = 10
-2
m
kg 456 g = 0,456 kg
3
1 t = 1000 kg 34 km = 34 000 m = 34. 10 m
200 ms = 200.10
-3
= 0,2 s
Actividad
Convertir magnitudes derivadas
Las magnitudes derivadas son las que se pueden obtener relacionando algunas
magnitudes fundamentales.
Un ejemplo es la velocidad que se obtiene dividiendo el espacio recorrido por
el tiempo. Su unidad es el m/s que no tiene nombre especial.
La aceleración es el cociente entre la velocidad y el tiempo. Su unidad es el
2
m/s , también sin nombre especial.
La unidad de fuerza es el Newton (N). La fuerza es el producto de la masa por la
aceleración. 1N = 1kg.m/s
2
La unidad de energía es el Julio. 1 Julio es el trabajo que realiza una fuerza de un
1 Newton al desplazar un objeto una distancia de 1 metro. Por tanto 1 Julio = 1N.m
Hay unidades muy frecuentes y por eso nos puede resultar muy práctico saber cuál es la conversión
directa.
En la tabla siguiente podemos ver la equivalencia entre algunas unidades frecuentes:
Volumen
1 L = 1 dm
Energía
3
------------3
1 dm = 10
-3
1 cal = 4,18 J
m
3
-6
1 cm = 10
8 de 18
1 CV = 735,5 W
--------------6
--------------3
Potencia
1kWh = 3.6 10 J
m
3
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Actividad
Para convertir otras medidas se utilizan los factores de conversión. Un factor de
conversión es una fracción de valor uno. En el numerador y en el cociente tenemos
una misma medida expresada en dos unidades diferentes. En el denominador se
escribe la unidad que queremos que desaparezca y en el denominador la nueva
unidad en la que queremos expresar la medida.
Por ejemplo:
Equivalencia
Factor de conversión
3
1 km es equivalente a 10 m
3
1 kg es equivalente a 10 g
1 hora son 3600 s
Si quiero pasar 2 mg a g------------>
Si quiero pasar 2 horas a segundos------------>
Trata de pasar al sistema internacional la siguientes medidas
a) 72 Km/h
b) 2,7 g/cm
3
Caloría y Julio son dos unidades de energía. Sabiendo que 1 caloría
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2. 3,5 kJ a calorías.
Veamos el primer caso.
Observa que cuando queremos pasar de calorías a Julios, usamos el factor
de conversión con los Julios en el numerador y las calorías en el
denominador. Al simplificar la fracción podemos eliminar las calorías que
aparecen arriba y abajo en la fracción.
Veamos el segundo caso. Primero convertirmos los kilojulios en Julios.
que cuando queremos pasar de kilojulios a Julios, usamos el factor de
conversión con los kilojulios en el denominador y los Julios en el numerador.
Al simplificar la fracción podemos eliminar los kilojulios que aparecen arriba
y abajo en la fracción.
Luego convertimos los Julios en calorías.
Observa que cuando queremos pasar de Julios a calorías, usamos el factor
de conversión con los Julios en el denominador y las calorías en el
numerador. Al simplificar la fracción podemos eliminar los Julios que
aparecen arriba y abajo en la fracción.
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4. Aparatos
errores
de
medida:
Imprecisiones
y
Necesitamos medir el ancho de una estantería de nuestra casa
para hacer un encargo a un carpintero. Si medimos en
milímetros vemos que pueden salir resultados distintos según
como midamos. Y si quiseramos ser más precisos aparecerían
más diferencias.
Es absurdo pensar que podemos medir con total
exactitud. Siempre se producen imprecisiones por
diversas causas.
Llamamos imprecisión aboluta (I ) de una medida a la
A
diferencia entre el valor medido x y el valor real, x .
r
También podemos calcular la imprecisión relativa (I ) para comparar la calidad de unas medidas
R
con otras. Se obtiene dividiendo la imprecisión absoluta por el valor real y multiplicándolo por 100
para obtener el tanto por ciento de error. Una medida con una imprecisión relativa por debajo del 2
% puede ser considera una buena medida.
Pregunta de Elección Múltiple
¿Cuál de las siguientes medidas tiene mayor calidad?
Un ciclista que con su cuentakilómetros obtiene de medida de la longitud de una
calle 1234 m, siendo su valor real de 1245m.
Un dibujante que mide en un plano una logitud de 34 mm siendo la longitud real
33 mm.
Actividad
La medida nunca es exacta. Hay muchas causas que producen imprecisión. La más
común es la debida a que los aparatos de medida no estén bien calibrados o las
lecturas no se hagan bien.
Un error sistemático es aquel que es debido al proceso de medida. Un reloj que
adelanta, una balanza que no está equilibrada, una regla torcida produce siempre una
falta o exceso del valor de medida.
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ligeramente disitintos.
Imprecisión absoluta de una medida es la diferencia entre la medida tomada y el
valor verdadero. Es la desviación que hemos tenido. Lo lejos que nos hemos quedado
de acertar. I = x - x
A
r
Imprecisión relativa (%) es el cociente entre la imprecisión absoluta y el valor real
multiplicado por 100. Nos informa de la calidad de una medida. I = 100.(x R
x )/x
r
r
Tiramos un montón de dardos al centro de centro de
una diana y estos se van distribuyendo por las
proximidades. No somos perfectos.
¿Dónde podemos intuir que estará el centro de la diana
basándonos en la posición en la que han quedado los
dardos?
Ralaciona esto con la forma en que se calcula el valor
de la medida cuando obtenemos muchas distintas por
causas accidentales.
Con un cronómetro que mide hasta las centésimas de segundo queremos medir el tiempo que tarda
en caer al suelo una bola desde 20 metros de altura.
Empezamos a anotar y nos salen resultados como estos, 1,98 s, 1,87 s, 2,0
s , 1,92 s, 1,94 s y 1,91 s.
El tiempo, de forma aleatoria, cambia en cada medida. Decimos que esta
medida está afectada por un error accidental. Una vez nos adelantamos al
actuar sobre el cronómetro y otras veces nos retrasamos. Lo mejor para
corregir su efecto es hacer muchas medidas y finalmente hacer la media.
1
2
3
4
5
6
t.medio
1,98 s 1,87 s 2,0 s 1,92 s 1,94 s 1,91 s 1,94 s
Para tener una idea del margen de imprecisión de la medida podemos hacer una media de las
desviaciones, D, que han tenido las medidas con respecto al valor medio que lo tomamos como el
verdadero.
Medida
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1
2
3
4
5
6
Medias
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t
1,98 s 1,87 s 2,0 s 1,92 s 1,94 s 1,91 s
t
m
1,94 s
D
m
D
0,04s 0,07s 0,06s 0,02s 0,00s 0,03s
0,03s
Para calcular cada desviación restamos el valor de la media y nos quedamos con su valor absoluto (
el mismo número si es positivo o el opuesto si es negativo).
D = |t
1
t | = |1.94 -1.98| = |- 0.04 | = 0.04
m- 1
Y así todos los demás. Finalmente calculamos la media de todas las desviaciones.
IMPRECISIÓN INSTRUMENTAL
Una regla es un instrumento sencillo que nos puede ayudar a comprender algunos aspectos
importantes de la medida.
En dibujo se utiliza habitualmente la regla milimetrada que quiere decir que esta dividida en
milímetros.
Supongamos que cuando medimos la longitud de un lápiz vemos que
su extremo está entre 84 y 85 mm, es decir, después del número 8 cm
entre la cuarta y la quinta rayita de los milimetros. Esto es normal que
ocurra. No vamos a tener la suerte de que tenga una medida exacta,
¿qué valor de medida tomamos? Bueno pues si decimos 84 no es
correcto y si decimos 85 tampoco y si decimos 84,2 pues no es cierto
que podamos saber ese decimal. Lo mejor es reconocer que nos
movemos en un margen de imprecisión de 1 mm. Decimos que la
regla tiene una imprecisión de 1 mm. Todos los aparatos tiene una
imprecisisón que es el mínimo valor que puede distinguir. La medida la
podemos expresar como 84 si aceptamos que esa última cifra no es
segura. Las cifras de una medida son todas seguras salvo la última que puede cambiar hasta un
límite que depende de la imprecisión del instrumento.
Actividad
Todos los aparatos tiene una imprecisisón que es el mínimo valor que pueden
distinguir. La medida la podemos expresar como un número y aceptamos que la
última cifra no es segura. Las cifras de una medida son todas seguras salvo la última
que puede cambiar hasta un límite que depende de la imprecisión del instrumento.
Las probetas de la figura miden el volumen de dos líquidos en mililitros (mL).
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¿Cuál es la imprecisión de cada una de las
probetas?
La pesa más pequeña de una balanza de brazos iguales
es de 2 g.
Otra balanza, de tipo digital, de las que usan en los
comercios mide de 5 en 5 g.
¿Qué balanza mide con más precisión?
CIFRAS SIGNIFICATIVAS
Actividad
Llamamos cifras significativas a las que se relacionan con la medida. Cuando hagamos
cálculos no podemos escribir los resultados con más precisión que la que aportan las
medidas. Si nos salen más cifras deberemos redondear. Pasamos a cero las cifras no
significativas y las expresamos como potencias de 10.
Reglas de redondeo.
Una vez que sepas cuantas cifras significativas debes tener, el número se redondea
utilizando las siguientes reglas:
Si el primer dígito no significativo (primero de la derecha) es menor que cinco,
se elimina y se mantiene el anterior que se convierte así en el último. Ejemplo si
el número es 3,72; como el último dígito es 2 (menor que cinco), quedaría 3,7.
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si seguimos redondeando el resultado anterior (13,7) quedaría 14 dado que 7 es
mayor que cinco, se suma una unidad al anterior que pasaría de 3 a 4.
Supongamos que tenemos que hacer un cociente entre dos medidas de 10,2
m y 1,4 s. Como 1,4 s solo tiene dos cifras significativas, el resultado es
ridículo que lo expresemos con más precisión. Esto se debe a que si en la
primera medida tenemos una impresición relativa de 1/102*100 y en la
segunda de 1/14*100, el cociente de ambas será tan impreciso como la que
más lo sea. Por lo tanto nos quedamos con una sola cifra significativa al
operar.
10,2/1,4 = 7,28571.... --> redondeo = 7,3
Mantenemos así el mismo tipo de precisión en el resultado que el que aporta
la medida menos precisa.
Según esto, no es lo mismo 45,0 cm que 45 cm. La primera medida tiene un
a imprecisión de 0,1 cm. Se ha hecho con una cinta milimetrada. La segunda
tiene una imprecisión de un centímetro. Es como una cinta de costura que solo tiene marcado los
centímetros. La primera es una medida más precisa.
Aunque hagamos un cambio de unidad la medida debe seguir manteniendo sus cifras. Llamamos
cifras significativas a aquellas que tienen que ver con la medida y nos dan una idea de su precisión.
45,0 cm = 45,0 . 10
-2
m
Las cifras de medida siguen siendo tres 45.0 y debe de mantenerse separadas de la potencia de 10
que indica otra cosa, un cambio de unidad.
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5. Cómo se mide la materia
Cómo medimos la materia: Masa, volumen y densidad
Vamos a meternos en el laboratorio. Queremos medir algunas propiedades de la materia. La
materia se caracteriza porque ocupa volumen y tiene masa.
CÓMO MEDIR EL VOLUMEN
1) Volumen de cuerpos geométricos.
La caja rectangular o paralelepípedo. V = a.b.c
2
El cilindro. V = Π.R .h
3
La esfera: V = 4/3.Π.R
2) Volumen de un líquido.
Las probetas son tubos de cristal con una
graduación normalmente en mililitros, mL.
Se pone el líquido y según la altura que
alcanza podemos ver el volumen.
3) Volumen de un sólido irregular se
puede medir por desplazamiento de
líquido. Se echa liquido en una probeta y
se mide el volumen. Se introduce el objeto
irregular y se vuelve a medir el volumen
que alcanza el liquido. La diferencia es el
volumen del sólido. En la figura se ve que
es 4 mL.
MEDIDAS DE MASA.
La masa es la mejor forma de medir la cantidad de
materia.
Para medir la masa se utiliza la balanza. La tecnología
hoy nos permite, mediante las balanzas digitales como
la de la derecha, hacer lecturas directas sin tener que
utilizar pesas.
Masa de un sólido. Para medir la masa de un sólido
se pone sobre el plato y tenemos la masa. A veces,
cuando la sustancia está en polvo, hay que utilizar un
recipiente que se pesa previamente vacío. Después, a
la medida, se le resta el peso del recipiente.
Masa de un líquido. Pesamos primero el recipiente
vacío. Después agregamos el líquido y volvemos a
pesar. Finalmente restamos y tenemos la masa del
líquido.
Masa de un gas. Como el líquido pero mucho más complicado. El problema del gas es que hay que
mantenerlo en recipientes cerrados ya que si no se difunden y se mezclan con el aire.
MEDIDAS DE DENSIDAD.
La densidad de una sustania es el cociente entre su masa y su volumen: d = m/v.
La densidad es una propiedad característica de cada sustancia. Puede servir para distinguir unas de
otras.
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Hemos medido con una regla milimetrada las dimensiones de una pequeña barra
rectangular de aluminio y hemos obtenido las siguientes medidas:
a= 6,2 cm
b= 1,4 cm
c = 1, 4 cm
Calcula su volumen y exprésalo con las cifras significativas que le corresponden.
Vamos a hacer los experimentos
que se proponen en esta página
web.
Tienes que realizar lo que se
propone referente a:
1) MEDIDA DE MASA
2) MEDIDAS DE VOLUMEN
3) MEDIDAS DE DENSIDAD
(SE TRATA DE UN EXPERIMENTO
SIMULADO INTERACTIVO)
Haz un informe del experimento y de los resultados obtenidos.
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