关键概念
物理学
质量
重力
角动量
介绍
瓶子翻转热潮可能正在消退，但现在研究这种网络现象背后的物理学原理还不算晚。即使你从未听说过它，也请尝试一下这个项目——你不仅可以用一个有趣的新技巧给你的朋友留下深刻印象，而且还能解释它背后的科学原理！
背景
“瓶子翻转”在2016年风靡互联网。如果你还没见过，请查看下面“更多探索”部分中的链接，或者在YouTube或你最喜欢的社交网络上搜索；你肯定会找到一些视频。这个过程包括将一个半满的水瓶抛向空中，使其直立着陆。这似乎是一个非常简单的概念，但其背后的物理学原理实际上相当复杂——而且需要一些练习才能掌握这项绝技！
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要理解瓶子翻转的物理学原理，首先你需要理解角动量。物体的角动量取决于其角速度（旋转速度）和惯性矩（质量从中心点分散的程度）。当没有外力矩作用于物体时，其角动量必须守恒。这方面的经典例子是旋转的溜冰者。如果她最初伸展双臂旋转，她具有较高的惯性矩（她的质量分散开来，远离身体中心）。如果她紧紧地收回双臂，她的惯性矩就会减小。为了使她的角动量保持不变，她的角速度必须增加，这样她才能旋转得更快。你可以在旋转的办公椅上亲自观察到这一点（参见“更多探索”中的链接）。
这与瓶子翻转有什么关系呢？想象一下抛掷一个刚性物体，例如硬币。重力会将硬币拉回地面。由于物体是固体的，因此当它在空中飞行和旋转时，其质量分布不会改变，并且其惯性矩和角速度保持不变。这使得很难预测硬币是正面朝上还是反面朝上，因为它在下落时会一直旋转。然而，水瓶是不同的。它包含液态水，液态水可以在瓶子内部自由晃动，从而改变质量分布。就像溜冰者伸开或收回双臂一样，这会改变瓶子的惯性矩，从而改变其角速度（因为总角动量必须保持不变）。你可以利用这个事实来更容易地成功翻转瓶子。如何做到？尝试这个活动来找出答案！
材料
塑料水瓶
自来水
准备
如果你以前从未尝试过瓶子翻转，你应该在开始这个项目之前练习一下。你希望你的技巧在整个活动过程中保持一致（例如，你抛掷瓶子的高度、水平距离和旋转速度）。
在塑料水瓶中装入约四分之一到三分之一的水，并将瓶盖拧紧。
抓住瓶颈，轻轻地向前抛掷（使瓶底背向你旋转）。
尝试抛掷瓶子，使其完成一次完整的翻转并直立着陆，而不会倒下。这可能需要大量的练习！
如果你感到沮丧，至少尝试观察瓶子最初落在哪一侧（顶部、底部或侧面），即使之后它倒下了。你能让瓶子始终如一地落在底部吗？
步骤
一旦你练习了瓶子翻转的方法，连续尝试10次。记住要尽可能保持你的技巧一致。你能让瓶子直立着陆多少次？
现在用一个空瓶子尝试10次。你还能让瓶子直立着陆吗？
现在用一个完全装满的瓶子尝试10次。你还能让瓶子直立着陆吗？
尝试看看你是否能找到瓶子中最佳的水量。如果瓶子装满一半或四分之三的水呢？哪种水量能给你最高的成功率？
附加题：将一些装有不同水量水的水瓶放入冰箱冷冻过夜（确保它们直立放置）。第二天尝试翻转它们。用冰代替液态水，是否更容易或更难成功翻转瓶子？
附加题：尝试以不同的距离和高度投掷瓶子——并改变旋转的幅度。如果你把瓶子扔到房间对面，或者让它落在你面前，是否更容易让瓶子直立着陆？如果你尝试让它落在桌子上而不是地板上呢？如果你尝试让它完成两次翻转而不是一次呢？
附加题：尝试将瓶子落在不同的表面上，例如地毯、木地板、瓷砖等。在某些表面上比在其他表面上更容易让瓶子直立着陆吗？
附加题：尝试使用不同尺寸或形状的瓶子进行此活动。有些瓶子效果更好吗？你有“最喜欢”的瓶子类型吗？
观察与结果
虽然结果可能因个人技巧而略有不同，但你可能会发现，对于装有约四分之一到三分之一水的瓶子，你最容易成功。成功翻转空瓶或完全装满的瓶子非常困难（甚至几乎不可能）。
对这种现象的解释取决于角动量，你可能还记得，当没有外力矩作用于物体时，角动量必须守恒，并且角动量取决于惯性矩和角速度。当水瓶在空中旋转时，没有力矩作用于它（忽略空气阻力）。还要记住，刚性物体的惯性矩（例如空水瓶）在旋转时不会改变。因此，空瓶子的角速度在空中飞行时保持不变，就像旋转的硬币一样。这使得很难控制瓶子的下降，也很难让它直立着陆。这同样适用于完全装满的瓶子。即使它装满了液态水，也没有空间让水晃动，因此瓶子内部的质量分布保持不变，并且其角速度保持恒定。
当你使用部分装满水的水瓶时，一切都会改变。最初，水的质量集中在瓶子底部。当你抛掷瓶子时，水有晃动的空间。它沿着瓶子的长度方向散开，增加了惯性矩，并降低了角速度（守恒角动量）。瓶子的旋转速度在空中飞行时会减慢——如果时间掌握得当，就有可能使瓶子直立着陆。如果这个过程难以想象，请参阅“更多探索”中的参考文献，其中有一些出色的图表。
如果你用冰块尝试同样的技巧，即使瓶子里装的量相同，也不会奏效，因为固体冰块无法晃动。
清理
用完后别忘了回收你的瓶子！
更多探索 对病毒式水瓶技巧的复杂物理学原理的解释，来自Vox 水瓶翻转，来自物理研究所
水瓶翻转物理学（pdf），特温特大学，来自康奈尔大学图书馆arXiv
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