Hvorfor er en tom shampooflaske så let at vælte?

Det bliver irriterende nemt at vælte en shampooflaske, når den er næsten tom. Dette er et let observeret og nysgerrighedsfremkaldende fænomen, som ifølge Lehigh University fysikprofessor Jerome Licini, giver indsigt i massecenter og påvirkninger.

"Fysikken i det er ret interessant og let at forstå, " siger Licini, der, sammen med førsteårs fysik major Allen Zijun Yuan, skrev en artikel om fænomenet, der for nylig blev offentliggjort i Fysiklæreren . I avisen, de finder massecentret af en shampooflaske, diskutere dets stabilitet på en skrå overflade, og demonstrere dens følsomhed over for stød ved hjælp af et simpelt eksperiment, der involverer en tennisbold og en vinkelmåler.

De skriver:"En genstand placeret på en skrå overflade og frigivet vil vælte, hvis den vandrette position af massecentret ligger uden for den geometriske omrids af objektets bund. Det betyder, at en genstand med et lavt massecenter vil være stabil til større hældningsvinkler. Elever bliver ofte overraskede over at se, at højden af ​​en shampooflaskes massecenter er en ikke-lineær funktion af den fraktion, som indholdet optager. Dette kan, imidlertid, ses på en ligetil måde ved at erkende, at for en plastikflaske, massen af ​​væskeindholdet er normalt langt større end flaskens masse. Når flasken enten er helt fuld eller helt tom, massecentret skal være omtrent ved det geometriske centrum af flasken, men massecentret bliver væsentligt lavere i højden for små væskeniveauer mellem disse to yderpunkter."

Yuan udviklede en demonstration for at vise effekten af ​​påvirkning og, det viser sig, endnu mere ekstrem end blot at se på vinklen.

En fem minutters video af denne demonstration kan ses nedenfor. Eksperimentet, der bruger en tennisbold, vinkelmåler og shampoo flasker med varierende grad af fylde for at vise virkningerne af stød starter ved 2:40.

Som Licini forklarer i videoen, ved at bruge en hel flaske shampoo:"Så, det vi har her er en tennisbold monteret på en snor, der kan trække tilbage til forskellige vinkler. Du sætter en vinkelmåler her for at måle affyringsvinklen. Og se, hvad der sker, da det påvirker denne shampooflaske. Så, du kan se det for en vinkel på ti grader, intet sker. For en vinkel på 15 grader, flasken er stadig stabil. Det kræver en vinkel på omkring 23 grader for at give denne flaske nok rotationsenergi eller vinkelmomentum, for at hæve massecentret over stabilitetspunktet, og vælte [flasken]."

Gennemførelse af eksperimentet med en shampooflaske, der er 30 procent fuld, Licini siger:"Når vi har vores flaske med det laveste massecenter fyldt til 30 procent, igen er den stadig rimelig stabil. Ved fem grader, det hopper af uden problemer. Ved ti grader, der er stød, men stadig vipper det og kommer så tilbage til stabilitet. Det er fordi massecentret er lavt. Det kræver en vinkel på omkring tretten grader for endelig at vælte den flaske."

Derefter, endelig, ved at bruge den tomme shampooflaske, Licini forklarer:"Men den tomme flaske er meget mere irriterende end alt det der. Fordi massen er så let, det betyder, at det vil have en stor reaktion på virkningen. Og, fordi massecentret er så højt [over basen], det kommer til at vælte let. Så, I dette tilfælde, det tager kun en vinkel på omkring tre grader for at vælte den flaske. Så, meget mindre stabil end nogen af ​​de andre konfigurationer."

"Vi konstruerede en demonstration for at producere stød fra en pendulbob, " skriver forfatterne. "En tennisbold med en masse på 57,7 g, der rammer flasken i en højde af 13,7 cm, viste sig at være et godt match mellem mekanisk impedans og percussionscenter. En snor blev bundet til tennisbolden, så dens centrum ville bevæge sig i en bue med en radius på 37 cm, og en vinkelmåler blev monteret for at bestemme udløsningsvinklen for pendulet, med 0°, der angiver anslagspunktet, når strengen var lodret ... De affyringsvinkler, der kræves for, at anslaget kan tippe flasken, kunne bestemmes til ±0,5° og var ca. 20,5° for en fuld flaske, 12,0° for det maksimale stabilitetsniveau, og kun 3,0° for den helt tomme flaske. Tennisboldens indledende potentielle energi ved disse vinkler er givet af mg [1 - cos(θ)] og giver tilsvarende værdier på 13,2 mJ, 4,6 mJ, og 0,3 mJ, illustrerer det drastiske fald i energi, der kræves for at tippe den tomme flaske."