工程力学欹器的原理及设计ppt课件
工程力学ppt课件
工程力学在土木工程中的应用
要点一
结构设计
土木工程中的结构设计需要应用工程 力学原理和方法，对建筑结构进行受 力分析、变形计算和稳定性评估。这 有助于确保土木工程结构的安全性和 稳定性。
要点二
土力学与地基工程
工程力学中的土力学理论和方法为地 基工程提供了支持。通过应用土力学 原理，土木工程师可以更好地理解和 评估地基的承载能力和稳定性，从而 优化地基设计。
工程力学的应用领域
建筑工程
建筑工程中的结构分析、抗震设计和施工过 程中的力学问题等。
航空工程
航空器的空气动力学分析、结构分析和优化 设计等。
机械工程
机械零件的强度、刚度和稳定性分析，以及 机械系统的动力学问题等。
水利工程
水坝、水闸和船闸等水利设施的设计、施工 和运行中的力学问题等。
工程力学的研究对象和方法
工程力学ppt课件
目录
• 工程力学简介 • 静力学基础 • 材料力学 • 动力学基础 • 工程力学在工程实践中的应用 • 工程力学的未来发展趋势和挑战
01
工程力学简介
什么是工程力学
工程力学是研究工程中物质和运动规 律的一门科学，涉及到物体的受力、 变形和运动等方面的知识。
工程力学结合了物理学和数学等多个 学科的知识，为各种工程实践提供基 础理论和解决方法。
载荷分析与校核
载荷分析是机械设计中的重要环节，通过工程力学的方法，设计师可以精确地预测和评估 机器在各种工况下的载荷情况，从而进行零部件的强度校核和优化设计。
摩擦与磨损研究
工程力学也涉及到摩擦与磨损的研究。这为机械设计师提供了关于摩擦、磨损和润滑的机 理和方法，有助于减少机器的摩擦和磨损，提高机器的效率和寿命。
工程力学PPT教学课件
2、机构与机械传动
• 研究的对象是常规通用零件和常用机构 的设计
1) 总论部分——机器及零件设计的概论，基本 原则，一般过程和要求等；
2) 联接部分——螺纹联接，轴毂联接即键、花 键和销联接；
3) 传动部分——带传动，链传动，齿轮传动， 蜗杆传动及齿轮系等；
• 4) 轴系部分——滑动轴承，滚动轴承，联轴 器与离合器以及轴等；
• 5) 其它部分——平面机构，减速器等。
机械设计基础的研究对象：
• 本课程是论述一般通用零件的基本设计理 论与方法，用以培养学生具有设计一般机 械的能力的技术基础课程
0.2 机械设计基础的研究方法
• 理论联系实际 • 做到四多。本课程又是应用性很强的工
程课程。在学习过程中，必须多观察、 多思考、多练习、多总结。
0.3学习机械设计基础的目的
• 本课程内容是研究现有机械的运动及工作性 能和设计新机械的知识基础。它成为机械类 各专业所必修的一门技术基础课程。
• 本课程为后续有关的专业课程如机床，机械 制造工艺以及其他机械性质的专业课程打下 基础。
• 可以使学生获得正确分析、使用和维护机械 的基本知识、基本理论及基本技能。有利于 培养创新思维和创新精神，提高分析问题和 解决问题的能力。
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15
一、理论力学的内容和对象
• 1．理论力学的内容
• 理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学。 • 机械运动：物体在空间的位置随时间的改变,称为机械运
动。 • 静力学----刚体的平衡规律，着重讨论静力分析，力系
的合成与简化，平衡条件及其应用 • 运动学----从几何的观点研究物体（点、刚体）的运动
工程力学课件(1)
固定铰链支座
光滑圆柱铰链约束实例
活动铰链支座
5 光滑球铰链
FAy
空间
A
FAz
FAx
反力是过球铰中心的FAx、FAy、FAz三个分力。
6 二力构件
二力构件
二力构件的约束力 沿连杆两端铰链的 连线，指向不定， 通常假设受拉。
二力构件
翻斗车
7 、其它约束
滑道、导轨： 约束反力垂直于滑道、导轨，指向亦待定。
T
F1 F2
约束力方向与所能限制的物体运动方向相反。
F2 F1
A
柔索约束
胶带构成的约束
柔绳约束
约束力方向与所能限制的物体运动方向相反。
链条构成的约束
柔绳约束
约束力方向与所能限制的物体运动方向相反。
柔索
绳索、链条、皮带
2 光滑支承面约束
约束反力作用在接触点处，方向沿公法线，指向受力物体
P P
又∵ 二力平衡必等值、反向、共线，
∴ 三力 F1 , F2 , F3 必汇交，且共面。
公理4 作用力和反作用力定律
等值、反向、共线、异体、且同时存在。 [例] 吊灯
公理5 刚化原理
变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体变成 刚体（刚化为刚体），则平衡状态保持不变。
公理5告诉我们：处于平衡 状态的变形体，可用刚体静 力学的平衡理论。
2. 力的效应： ①运动效应(外效应) ②变形效应(内效应)。
3. 力的三要素：大小，方向，作用点
4.力的单位： 国际单位制：牛顿(N) 千牛顿(kN)
FA
5. 力系：是指作用在物体上的一群力。 6. 等效力系：两个力系的作用效果完全相同。F1
F3 C AB
工程力学欹器的原理及设计
欹器分类
根据有关力学的原理, 把欹器设计并制作出来. 在没有进一步的资料前, 虽然不知真实的欹器是 怎样的,但它可能是下列三种形式中的一种: 悬浮于水中的悬浮式欹器、用绳索吊着的悬挂式 欹器、放在桌面上的触地式欹器源自 欹器特点：虚则欹，中则正，满则覆。
欹器实际上体现了注水过 程中系统重心的变化
悬挂式欹器原理
如图是悬挂式欹器的模型的正视图和侧视图， E为悬挂点（双耳）。其中装水的内管是特 殊的，分上下两部分。上管Ⅱ横截面是圆， 下管Ⅰ横截面是半圆，旁边有一个配重。满 足的条件是：当Ⅰ管加满水的重量等于配重 的重量；当管Ⅱ加满水时，中心位置刚好达 到悬挂点的位置。
具体力学原理见参考文献：《欹器的原理及 设计》
《悬挂式 欹器的原理及静力学分析》 如果时间允许可以详细讲解。
古代欹器的结构推论
古代真实的欹器到底是其中哪一种类型.考虑到古代的制造水 平, 加工技术, 可以推断真正的敬器不会有太多的技术要求, 又 考虑到敬器失传近千年，祖冲之等人还制造过, 说明真正的敬 器在制造上有一定的难度。
悬挂式“欹器” 技术要求稍高, 对外形没有 要求, 双耳的位置要准确真正的敬器是悬挂 式欹器的可能性很大它可能是在烧制陶器时， 由于陶土中夹杂有空气， 无意中烧制出的陶
器形如图 ,结果那鼓起的气泡(可能有多个气 泡) 使陶器内的空腔不对称,而鼓出的陶土相 当于配重. 若加满水后总重心高于双耳时, 这 个带有气泡的陶器就具备了覆”都仅仅是由 于加水所致。由于当时的制造风格, 这个陶 器可能是尖底的, 就象半坡遗址出土的尖底 陶器一样。
实际应用
工程力学ppt课件01(第一部分：第1-4章)
材料力学的性能分析
01
材料力学性能分析包括对材料的弹性、塑性、脆性、韧性 等性能的评估。
02
弹性是指材料在外力作用下发生形变，外力消失后能恢复 原状的能力；塑性是指材料在外力作用下发生形变，外力 消失后不能恢复原状但也不立即断裂的能力；脆性和韧性 则是描述材料在受力过程中易碎和抗冲击能力的性能。
03
力的分类
根据力的作用效果，可将力分为拉力、 压力、支持力、阻力、推力等。
静力学的基本原理
二力平衡原理
力的平行四边形法则
作用与反作用定律
三力平衡定理
作用在刚体上的两个力等大反 向，且作用在同一直线上，则 刚体处于平衡状态。
作用于物体上同一点的两个力 和它们的合力构成一个平行四 边形，合力方向沿两个力夹角 的角平分线，因为两个分力大 小不变，所以合力的大小也是 一定的。
材料力学性能分析对于工程设计和安全评估具有重要意义 ，是确定材料能否承受预期载荷并保持稳定性的关键依据 。
材料力学的应用实例
材料力学在建筑、机械、航空航 天、汽车、船舶等领域有广泛应 用。
例如，建筑结构中的梁和柱的设 计需要考虑到材料的应力分布和 承载能力；机械零件的强度和刚 度分析对于其正常运转和疲劳寿 命预测至关重要；航空航天领域 中，材料力学则涉及到飞行器的 轻量化设计以及确保飞行安全的 关键因素。
动力学的基本原理
牛顿第一定律
物体在不受外力作用时，将保持静止或匀速直线运动状态。
牛顿第二定律
物体受到的合外力等于其质量与加速度的乘积，即F=ma。
牛顿第三定律
作用力和反作用力大小相等、方向相反、作用在同一条直线上。
动力学的基本方法
动力学方程的建立
01
根据牛顿第二定律，建立物体运动过程中受到的合外力与加速
建筑力学PPT课件
石拱桥
菲
成
昆
涅
门
辰
朱
英
第1页/共72页
爪 辈 寄 酒 澜 耐
塘
祖
绪论
结斗 构拱
烤
苹
颧
诺
懒
赊
躬
啼
第2页/共72页
谚 凛 椰 气 夷 祥
斡
断
廊桥
樊
狗
嘎
寝
商
蹿
殊
吾
第3页/共72页
叙 衔 耗 宇 挖 认
昔
绥
框架电梯公寓
厦
惜
扮
挝
当
陷
逛
涧
第4页/共72页
滓 桑 路 像 醉 脱
歇
亿
绪论
埃菲尔铁塔 高320.7米
力的三要素表明力是一矢量。它可用一有向线段来表示， 如图1.1所示。线段的长度按一定比例尺表示力的大小；线段的 方位角和箭头的指向表示力的方向；线段的起点或终点表示力 的作用点。通过力的作用点，沿力的方向画出的直线，称为力 的作用线。本书中用黑斜体字母表示矢量，如力表示力矢量； 而用普通字母表示这个矢量的大小。
F1 20N F2 40N F3 50N，各力方向如图所示。
【解】 可得出各力的合力在x、y轴上的投影为
FRx
Fx F1 cos 90 F2 cos 0 F3
3 32 42
，
0 40kN + 50kN 3 10kN
，
5
FRy
4
Fy F1 sin 90 F2 sin 0 F3
应当指出，既然力是物体之间相互的机械作用，力就不能 脱离物体而单独存在。在分析物体受力时，必须搞清哪个是施 力体，哪个是受力体。 实践证明，力对物体的作用效应取决于以下三个要素：
探寻奇妙的“欹器之谜”背后的物理原理
探寻奇妙的“欹器之谜”背后的物理原理作者：陈坤来源：《中学物理·高中》2012年第09期在璀璨的华夏瑰宝中，曾经出现过一种称为“欹器”的奇特陶器，它腹大、口小、底尖并带有两个提耳.史书《孔子家语·三恕》中记载：它“虚则倾，中则正，满则覆”，也就是说，欹器空的时候是倾斜的，装一半水的时候是直立的，装满水后又会翻倒.由于它与儒家“谦受益，满招损”的思想契合得很好，因此古代有人就将其置在桌右，作为警戒之器，鲁国公甚至将它作为圣器放在庙中祭祀.可惜的是，史书对于这种容器的原理却没有记载，而且后来这种神秘的东西也失传了，史称“欹器之谜”.实际上，欹器的这种奇特性质与物理学中平衡的种类有关.加水前后整个装置重心的位置并不相同：未装水的时候，由于底部较上半部分尖锐，整体重心在提耳的上方，处于不稳定平衡状态，在受到扰动后欹器一般处于倾斜状态；当加水后，重心回到提耳的下方，处于稳定平衡状态，欹器直立；当加满水后，由于上半部分的体积比下半部分大，因此重心重新回到提耳的上方，又处于不稳定平衡状态，稍有扰动就会“满则覆”.由此可见，欹器的奇妙之处就在于重心位置的升降会改变它的平衡状态.研究物体的平衡种类在机械、建筑等设计领域具有重要的应用价值，控制物体不同的平衡态势，增加物体平衡的稳定很有实际意义.同时，在物理奥赛中，物体平衡种类的判定也是常见的赛点之一.物体平衡的种类分为三种：不稳定平衡，稳定平衡以及随遇平衡.稳度说明了物体的稳定程度，一般说来，使一个物体的平衡遭到破坏所需要的能量越多，这个平衡的稳度就越高，重心越低，支面越大稳度越高.一般来说，常见的平衡种类的判定方法有：1 从分析物体受力入手，研究物体受到的合力方向与位移方向之间的关系假设给物体一个扰动，使其偏离平衡位置，如果此时合力的方向指向平衡位置，物体将在合力的作用下重新回到平衡位置，因此物体处于稳定平衡状态，如果合外力背离平衡位置，则为不稳定平衡，若受到的合力为零，则该物体处于随遇平衡状态.例1 质量各为M1，M2的两个星体相距L，一个质量为m的小星体位于两星体的连线上，求小星体的平衡位置，并分别讨论对小星体沿连线方向的扰动和垂直于连线方向的扰动，其平衡的稳定性.解析设小行星的平衡位置离M1的距离为l，它受到电涡流测厚仪金属导体内产生的电涡流所建立起来的反磁场以及电涡流要消耗一部分能量，这些作用都将“反射”回去，改变激励线圈的等效电感，通过测量电路，将受影响后的等效电感转换成电压，从而可以测量金属材料的厚度.电涡流测厚仪特别适合在冶金工业上对带材的尺寸进行自动检测.5.3 电涡流传感器测当其它相关参数不变时，电涡流激励线圈阻抗Z就仅仅是线圈与导体间的距离x的单值函数.通过与之配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，转换为电压，就可用电涡流传感器实现了对距离（位移）x的测量.用这种传感器可以测量主轴的轴向窜动，钢水液位等.5.4 电涡流探伤电涡流传感器可以用来检查金属的表面裂纹，还可用于焊接部位的探伤等.让传感器与被测体距离不变，如有裂纹出现，将引起金属的电阻率、磁导率的变化，也可以说有位移值的变化.这些综合参数的变化将引起电涡流传感器线圈参数的变化，通过测量电涡流传感器线圈参数的变化即可达到探伤的目的.5.5 电涡流传感器测转速f为频率值（Hz）；x为旋转体的齿数；N为被测轴的转速（r/min）.这样，就可以得到被测旋转轴的转速.5.6 电涡流式传感器测振幅电涡流传感器可无接触地测量各种振动的幅值.常用电涡流式传感器测量主轴的径向振动，也可以测量涡轮叶片的振幅.此外，电磁炉也是电涡流效应的一种典型应用产品.M1，M2的万有引力应该相等.可见，当小星体在二者连线方向上偏离平衡位置时，合外力表现为一斥力，它将推动小星体离开平衡位置，因此它处于不稳定平衡状态.Ⅱ.当受到垂直于连线方向上的扰动时，它将受到M1，M1两星体的引力作用，两引力大小相等，夹角为钝角，合力方向指向平衡位置，与x的方向相反，因此处于稳定平衡状态.2 从分析物体的重心入手，研究受扰动后重心的升降情况分析重心的升降是判断平衡种类最常见的方法.它的一般特征是，物体在重力和支持力作用下保持平衡.具体过程是，给物体扰动，使其稍微偏离平衡位置，若重心升高，则为稳定平衡；若重心降低，则为不稳定平衡；如果重心的高度不变，则为随遇平衡.例2 如图3所示，一个熟鸡蛋的圆和尖两端的曲率半径分别为a、b且长轴的长度为l，蛋圆的一端可以在不光滑的水平面上稳定直立，求蛋尖的一端可以在一个半球形的碗内稳定地直立，试分析碗的半径r需满足的条件.通过例2可以看出，究竟用受力分析法还是用力矩分析法关键看物体的受力特征，有时二者皆可.一般来说，杆状的物体，受到多个平行力，多用力矩比较法.回到本文的欹器，对欹器也可利用力矩分析，未注水时，重心在提耳的下方，扰动后，重力矩使其返回平衡位置，处于稳定平衡状态；注水后重心高于提耳时，扰动后重力矩使物体背离平衡位置，处于不稳定平衡状态，重心在提耳连线上时，合力矩为零，处于随遇平衡状态.。
工程力学第2版课件课件
梁的简化计算
在工程实际中，梁的简化计算是根据梁的实 际受力情况，将其简化为简支梁、悬臂梁、 外伸梁等模型，以便进行力学分析和计算。
梁的弯曲内力与内力图
弯曲内力的概念
弯曲内力是指梁在弯曲变形过程中，由于受到外力作用 而产生的内部应力。
内力图的绘制
内力图是表示梁上各截面处内力的图形，通过内力图可 以直观地了解梁的受力情况，并对其进行强度和刚度分 析。
03
平面力系
平面力系的合成与平衡
平面力系的概念
在平面内，力系由若干个平行于平面的力组 成，这些力作用于物体上，使物体在平面内 运动。
平面力系的合成
根据平行四边形法则，将两个或多个力合成一个合 力。
平面力系的平衡
当一个力系中的所有力在作用点上相互抵消 ，使得物体处于静止或匀速直线运动状态时 ，该力系称为平衡力系。
工程力学第2版课件
目录
• 绪论 • 静力学基础 • 平面力系 • 空间力系 • 材料力学基础
目录
• 拉伸与压缩 • 剪切与挤压 • 圆轴的扭转 • 弯曲变形
01
绪论
工程力学的研究对象
工程力学定义
工程力学是一门研究工程结构与机械 运动规律的科学，主要包括静力学和 动力学两个部分。
研究对象
工程力学主要研究对象是工程中的各 种结构、机械和设备，以及它们在各 种外力作用下的运动规律和稳定性。
平面力系的平衡问题分类
根据物体的形状和受力情况，可以将平面力系的 平衡问题分为刚体平衡和弹性平衡两类。
3
平面力系的平衡问题求解方法
通过力的合成与分解、建立平衡方程、求解未知 数等方法，可以求解平面力系的平衡问题。
04
空间力系
力在空间直角坐标轴上的投影
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9
悬挂式欹器原理
如图是悬挂式欹器的模型的正视图和侧视图， E为悬挂点（双耳）。其中装水的内管是特殊 的，分上下两部分。上管Ⅱ横截面是圆，下 管Ⅰ横截面是半圆，旁边有一个配重。满足 的条件是：当Ⅰ管加满水的重量等于配重的 重量；当管Ⅱ加满水时，中心位置刚好达到 悬挂点的位置。
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10
在这样的条件下，若欹器空的时候， 重心偏向配重这边，从而欹器是倾斜 的；若加水使管Ⅰ 满时，总重心开始 处于中轴线上，欹器处于垂直状态， 再加水，总重心仍处于中轴线上，欹 器一直是垂直的；当管Ⅱ也加满水时， 总中心位置到达悬挂点E，欹器不稳定， 外界的微小干扰会使欹器倾倒，当水 倒出来后，有恢复倾斜的状态。
代橡皮阀控制水门的冲与停，可以彻底解决因橡皮阀破
损而引起漏水现象的发生。欹器式冲水箱的工作过程：1、
在内箱中无水时由于浮球下沉而打开进水阀，开始进水，
浮球随液面上升；2、到内箱中水位达到一定高度时，浮
球上升关断进水阀门，由于水箱的非对称的机构使其重
心升高而发生倾斜，销子抵住了内箱阻止倾覆；3、当需
要冲水箱对便具冲水时，只要用手拉动销子，内箱倾覆，
5
原来这件古代鲁国视为国宝的“欹器”，到汉代已经 失传了，以后魏、晋之际，杜预曾于公元260年时把它 重制出来。接着，晋代曾最早推算出圆周率为 3．1415926的刘徽又进一步作了《鲁史欹器图》并加 以说明。可惜以后欹器的仿制品和图样又都失传。到 南北朝 及隋唐时又有人把它重制成功。其中，北朝的 西魏文帝也把改制后的欹器放在前殿，用来提醒自己。 可是，这些后来接着又都失传。 总之，鲁国国宝“欹器”，它的仿制品在历史上失传 又再现，再现又失传。到近千百年，所谓“欹器”， 其构造如何，就成为“千古之谜”了。
具体力学原理见参考文献：《欹器的原理及设计》
原理及静力学分析》 如果时间允许可以详细讲解。
《悬挂式欹器的
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古代欹器的结构推论
古代真实的欹器到底是其中哪一种类型.考虑到古代的制造水
平, 加工技术, 可以推断真正的敬器不会有太多的技术要求,
又考虑到敬器失传近千年，祖冲之等人还制造过, 说明真正的
敬器在制造上有一定的难度。
悬挂式“欹器” 技术要求稍高, 对外形没
有要求, 双耳的位置要准确真正的敬器是悬
挂式欹器的可能性很大它可能是在烧制陶器
时，由于陶土中夹杂有空气， 无意中烧制
出的陶器形如图 ,结果那鼓起的气泡(可能
有多个气泡) 使陶器内的空腔不对称,而鼓
出的陶土相当于配重. 若加满水后总重心高
于双耳时, 这个带有气泡的陶器就具备了覆”
“孔子观于鲁桓公(公元前711年～前694年在位)之庙 ，有欹器焉。孔子问于守庙者曰：此为何器?守庙者曰 ：此盖为宥坐之器。孔子曰：吾闻宥坐之器，虚则欹 ，中则正，满则覆。孔子顾弟子日：注水焉。弟子挹 水而注之，果中而正，满而覆，虚而欹。孔子喟然而 叹日：吁!恶有满而不覆者哉!”
4
古代鲁国之君有一种放在宗庙中相当于今人“座右铭” 的欹器。欹器有个特点：当它空虚不盛一点水时，就 只能欹斜地放着而无法端正地放置，把它扶正后，一 放手它就重又歪斜在一边，这就是所谓“虚则欹”； 在这容器中注入中等数量的水，就可端正地摆放在那 里，这就是“中则正”；但在容器注水又不可太满。 水太多了，它又会自动向另一侧翻倒，而把水都倒了 出来，这就是所谓的“满则覆”。鲁国之君把这奇异 的容器放在宗庙中作为“座右铭”，目的在于提醒自 己，万事都要采取中庸之道，适可而止，切不可过分， 慎防“满而覆”。孔子在弟子作过现场试验后发出的 叹息：“恶有满而不覆者哉”，对任何时代的当政者 都具有深意。
水冲出内箱，达到冲净便具的效果；4、由于内箱无水，
翻转的内箱重心高于轴，便自动翻转回来恢复原状，浮
球下沉，打开进水阀门，自来水进入内箱，进入下一个
循环。
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14
Thank you!
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Discussion 9
说明悬挂式欹器的原理
1
Discussion 9:
说明悬挂式欹器的原理
2020/5/21
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欹器简介
关于“欹器”的最早的有关记载，可见于战国时《荀 子》一书《宥坐》编。
这里“宥”字相当于“右”字。“宥坐”也即“右坐 ”或“右座”。所谓“欹器”是鲁王用来代替今人所 说的“座右铭”的。《宥坐》篇的记载如下：
都仅仅是由于加水所致。由于当时的制造风
格, 这个陶器可能是尖底的, 就象半坡遗址
出土的尖底陶器一样。
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实际应用
• 这种翻斗式的容器有很广泛的用途，例如矿山的矿车 ，某些厕所里一种定时冲洗的翻斗，以及气象观测雨 量计内的计量容器等等，都是根据这种构思设计的。
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欹器式防漏节水冲水箱
是用欹器原理，即利用容器的倾倒所产生的大量水而取
6
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欹器分类
根据有关力学的原理, 把欹器设计并制作出来. 在没有进一步的资料前, 虽然不知真实的欹器是 怎样的,但它可能是下列三种形式中的一种: 悬浮于水中的悬浮式欹器、用绳索吊着的悬挂式 欹器、放在桌面上的触地式欹器
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欹器特点：虚则欹，中则正，满则覆。
欹器实际上体现了注水过 程中系统重心的变化