關鍵概念
物理學
質量
重力
角動量
介紹
瓶子翻轉熱潮可能正在消退，但現在研究這種網路現象背後的物理學原理還不算晚。即使你從未聽說過它，也請嘗試一下這個專案——你不僅可以用一個有趣的新技巧給你的朋友留下深刻印象，而且還能解釋它背後的科學原理！
背景
“瓶子翻轉”在2016年風靡網際網路。如果你還沒見過，請檢視下面“更多探索”部分中的連結，或者在YouTube或你最喜歡的社交網路上搜索；你肯定會找到一些影片。這個過程包括將一個半滿的水瓶拋向空中，使其直立著陸。這似乎是一個非常簡單的概念，但其背後的物理學原理實際上相當複雜——而且需要一些練習才能掌握這項絕技！
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要理解瓶子翻轉的物理學原理，首先你需要理解角動量。物體的角動量取決於其角速度（旋轉速度）和慣性矩（質量從中心點分散的程度）。當沒有外力矩作用於物體時，其角動量必須守恆。這方面的經典例子是旋轉的溜冰者。如果她最初伸展雙臂旋轉，她具有較高的慣性矩（她的質量分散開來，遠離身體中心）。如果她緊緊地收回雙臂，她的慣性矩就會減小。為了使她的角動量保持不變，她的角速度必須增加，這樣她才能旋轉得更快。你可以在旋轉的辦公椅上親自觀察到這一點（參見“更多探索”中的連結）。
這與瓶子翻轉有什麼關係呢？想象一下拋擲一個剛性物體，例如硬幣。重力會將硬幣拉回地面。由於物體是固體的，因此當它在空中飛行和旋轉時，其質量分佈不會改變，並且其慣性矩和角速度保持不變。這使得很難預測硬幣是正面朝上還是反面朝上，因為它在下落時會一直旋轉。然而，水瓶是不同的。它包含液態水，液態水可以在瓶子內部自由晃動，從而改變質量分佈。就像溜冰者伸開或收回雙臂一樣，這會改變瓶子的慣性矩，從而改變其角速度（因為總角動量必須保持不變）。你可以利用這個事實來更容易地成功翻轉瓶子。如何做到？嘗試這個活動來找出答案！
材料
塑膠水瓶
自來水
準備
如果你以前從未嘗試過瓶子翻轉，你應該在開始這個專案之前練習一下。你希望你的技巧在整個活動過程中保持一致（例如，你拋擲瓶子的高度、水平距離和旋轉速度）。
在塑膠水瓶中裝入約四分之一到三分之一的水，並將瓶蓋擰緊。
抓住瓶頸，輕輕地向前拋擲（使瓶底背向你旋轉）。
嘗試拋擲瓶子，使其完成一次完整的翻轉並直立著陸，而不會倒下。這可能需要大量的練習！
如果你感到沮喪，至少嘗試觀察瓶子最初落在哪一側（頂部、底部或側面），即使之後它倒下了。你能讓瓶子始終如一地落在底部嗎？
步驟
一旦你練習了瓶子翻轉的方法，連續嘗試10次。記住要儘可能保持你的技巧一致。你能讓瓶子直立著陸多少次？
現在用一個空瓶子嘗試10次。你還能讓瓶子直立著陸嗎？
現在用一個完全裝滿的瓶子嘗試10次。你還能讓瓶子直立著陸嗎？
嘗試看看你是否能找到瓶子中最佳的水量。如果瓶子裝滿一半或四分之三的水呢？哪種水量能給你最高的成功率？
附加題：將一些裝有不同水量水的水瓶放入冰箱冷凍過夜（確保它們直立放置）。第二天嘗試翻轉它們。用冰代替液態水，是否更容易或更難成功翻轉瓶子？
附加題：嘗試以不同的距離和高度投擲瓶子——並改變旋轉的幅度。如果你把瓶子扔到房間對面，或者讓它落在你面前，是否更容易讓瓶子直立著陸？如果你嘗試讓它落在桌子上而不是地板上呢？如果你嘗試讓它完成兩次翻轉而不是一次呢？
附加題：嘗試將瓶子落在不同的表面上，例如地毯、木地板、瓷磚等。在某些表面上比在其他表面上更容易讓瓶子直立著陸嗎？
附加題：嘗試使用不同尺寸或形狀的瓶子進行此活動。有些瓶子效果更好嗎？你有“最喜歡”的瓶子型別嗎？
觀察與結果
雖然結果可能因個人技巧而略有不同，但你可能會發現，對於裝有約四分之一到三分之一水的瓶子，你最容易成功。成功翻轉空瓶或完全裝滿的瓶子非常困難（甚至幾乎不可能）。
對這種現象的解釋取決於角動量，你可能還記得，當沒有外力矩作用於物體時，角動量必須守恆，並且角動量取決於慣性矩和角速度。當水瓶在空中旋轉時，沒有力矩作用於它（忽略空氣阻力）。還要記住，剛性物體的慣性矩（例如空水瓶）在旋轉時不會改變。因此，空瓶子的角速度在空中飛行時保持不變，就像旋轉的硬幣一樣。這使得很難控制瓶子的下降，也很難讓它直立著陸。這同樣適用於完全裝滿的瓶子。即使它裝滿了液態水，也沒有空間讓水晃動，因此瓶子內部的質量分佈保持不變，並且其角速度保持恆定。
當你使用部分裝滿水的水瓶時，一切都會改變。最初，水的質量集中在瓶子底部。當你拋擲瓶子時，水有晃動的空間。它沿著瓶子的長度方向散開，增加了慣性矩，並降低了角速度（守恆角動量）。瓶子的旋轉速度在空中飛行時會減慢——如果時間掌握得當，就有可能使瓶子直立著陸。如果這個過程難以想象，請參閱“更多探索”中的參考文獻，其中有一些出色的圖表。
如果你用冰塊嘗試同樣的技巧，即使瓶子裡裝的量相同，也不會奏效，因為固體冰塊無法晃動。
清理
用完後別忘了回收你的瓶子！
更多探索 對病毒式水瓶技巧的複雜物理學原理的解釋，來自Vox 水瓶翻轉，來自物理研究所
水瓶翻轉物理學（pdf），特溫特大學，來自康奈爾大學圖書館arXiv
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