由翻轉水瓶實驗理解角動量守恒與碰撞過程

吳亞東　程建榮

摘要：翻水瓶挑戰在2017年風靡了美國，挑戰者需將裝有一定量液體的水瓶拋出，并使其穩穩地立在平面上.通過對水瓶的運動狀態分析，從定性角度出發，得到決定挑戰成功的影響因素：水瓶重心、水瓶形狀、出手方式等.再進行一定的定量分析后，通過一系列實驗，發現一系列規律并給出可行的建議.并通過此實驗，引導學生理解角動量守恒與物理碰撞過程，同時展示了其在跳水等運動的相似之處.

關鍵詞：翻水瓶實驗；碰撞過程；角動量守恒；穩定性；重心

作者簡介：吳亞東（1997-），男，北京密云人，本科在讀，研究方向：數學建模、物理實驗競賽；

程建榮（1961-），男，陜西人，高級實驗師，研究方向：物理演示與教學.

2017年在美國掀起了一場翻水瓶挑戰（Fliping Bottle Challenge），規則很簡單，用手向空中扔一個裝有適當液體（例如水）的水瓶，使其在空中進行翻轉，最終豎直穩定地立在平面上（桌子或者地板）.

由于規則對于水瓶的材質，瓶內液體的性質（粘度，密度），液體高度以及平面的材質沒有特殊規定.因此，有了足夠的空間去發揮.比如，有人使用可口可樂的水瓶，有人用類似農夫山泉的水瓶，還有人使用飲水機的水桶.在課桌、地板、滑板、籃球甚至路邊的廣告牌上都有穩穩立住的水瓶.

雖然翻水瓶游戲看似簡單，但是若要直接進行數學分析，建立模型的話，則會發現，其中涉及到的物理知識較多，如質點運動學、剛體力學、流體力學等，因此，筆者采取從定性到定量化的分析方……