Đèn kéo quân tự quay vì ngọn nến bên trong làm nóng không khí, khí nóng nhẹ hơn nên bốc lên thành một luồng gió nhỏ, và luồng gió ấy đẩy vào những cánh giấy xếp nghiêng ở đỉnh trục giống như gió đẩy chong chóng. Trục quay kéo theo vòng hình nhân cắt giấy, ánh nến hắt bóng chúng lên vách đèn thành đoàn người ngựa nối nhau chạy. Không có lò xo, không có mô tơ: toàn bộ "phép" nằm ở đối lưu nhiệt và một ổ trục rất ít ma sát.
Cái "phép" mà ai cũng từng nhìn thấy
Đứng trước một chiếc đèn kéo quân thắp nến trong đêm, người ta thấy một cảnh lạ: bóng những người lính, con ngựa, người đi cày cứ lần lượt đi qua mặt giấy, đều đặn, không ai đẩy. Thổi nhẹ thì nến chao, bóng run lên; tắt nến một lúc thì đoàn quân chậm dần rồi dừng hẳn. Cái lạ ấy có tuổi đời rất dài. Đèn kéo quân có mặt ở nhiều nước Á Đông từ lâu, người Trung Hoa gọi là "tẩu mã đăng", nghĩa là đèn ngựa chạy; chuyện lịch sử và tục rước đèn thì xin để dành cho chỗ khác, ở đây chỉ bàn vì sao nó quay.
Cấu tạo của một chiếc đèn truyền thống khá giản dị:
- Khung ngoài bằng tre, dán giấy mỏng hoặc giấy bóng kính làm vách. Vách là "màn chiếu".
- Trục đứng ở chính giữa, đầu dưới tì lên một mũi kim hay đầu đinh, đầu trên lồng lỏng qua một vòng dây thép để giữ thẳng.
- Tán quạt ở đỉnh trục: một vòng giấy hoặc nan mỏng cắt thành nhiều cánh, mỗi cánh gấp nghiêng một góc.
- Vòng hình nhân gắn quanh trục, nằm giữa ngọn nến và vách giấy.
- Nguồn nhiệt ở đáy: một cây nến hoặc ngọn đèn dầu nhỏ, vừa là nguồn sáng vừa là "động cơ".
Khí nóng bốc lên: đối lưu và hiệu ứng ống khói
Không khí là chất khí, nên khi nóng lên nó giãn ra. Cùng một áp suất, khối lượng riêng của khí tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối. Không khí ở 20 °C nặng khoảng 1,2 kg mỗi mét khối; nung lên khoảng 80 °C thì chỉ còn chừng 1,0 kg. Phần khí nóng nhẹ hơn lớp khí xung quanh, bị đẩy lên giống như một quả bóng gỗ bị nước đẩy nổi lên. Khí lạnh từ bên dưới tràn vào chỗ trống, lại bị nung, lại bốc lên. Dòng tuần hoàn này gọi là đối lưu tự nhiên.
Lồng đèn có vách bao quanh nên hoạt động như một cái ống khói ngắn. Cột khí nóng bên trong nhẹ hơn cột khí lạnh cùng chiều cao bên ngoài, sinh ra một chênh lệch áp suất ở đáy, đúng bằng hiệu khối lượng riêng nhân gia tốc trọng trường nhân chiều cao cột khí. Với một chiếc đèn cao chừng 30 cm, phép tính thô cho ra cỡ nửa pascal, tức là nhỏ hơn áp suất khí quyển gần hai trăm nghìn lần. Lực đẩy yếu đến mức đó, nên chiếc đèn chỉ quay được khi mọi thứ khác đều nhẹ và trơn.
Ước tính đơn giản theo cùng cách cho thấy luồng khí đi lên trong đèn chỉ cỡ vài chục centimet mỗi giây, chậm hơn một làn gió nhẹ ngoài trời. Người làm đèn bù lại bằng hai cách: tán quạt thật nhẹ và ổ trục thật ít ma sát.
Từ luồng gió đến vòng quay: cánh nghiêng và mô men lực
Nếu cánh tán nằm phẳng, luồng khí đi thẳng lên chỉ đẩy tán lên trên, không làm nó xoay. Bí quyết là độ nghiêng. Khi gặp cánh nghiêng, dòng khí bị bẻ lệch sang một bên. Theo định luật thứ ba của Newton, khí bị cánh đẩy sang ngang thì cánh cũng bị khí đẩy theo chiều ngược lại. Lực ấy có một thành phần nằm ngang, vuông góc với bán kính tán, và chính thành phần này tạo ra mô men lực quanh trục.
Mô men lực bằng lực nhân với khoảng cách từ trục tới điểm đặt lực. Tán quạt càng rộng thì cánh tay đòn càng dài, nhưng tán rộng lại nặng hơn và cản gió hơn. Người thợ giỏi tìm được điểm cân bằng: tán đủ rộng để bắt hết luồng khí nóng, đủ nhẹ để không đè nặng lên mũi kim.
Vì sao đèn quay đều mà không nhanh dần mãi
Lúc mới thắp, mô men từ luồng khí lớn hơn mô men cản, tán tăng tốc. Khi quay nhanh hơn, cánh "chạy trốn" luồng khí nên lực đẩy giảm, còn sức cản của không khí và ma sát ở mũi kim lại tăng. Đến một tốc độ nào đó hai bên cân nhau, đèn quay đều. Nến cháy mạnh thì điểm cân bằng dịch lên, đèn quay nhanh hơn; nến lụi thì đèn chậm lại.
Chiều quay do ai quyết định
Chiều quay hoàn toàn do chiều gấp cánh. Gấp nghiêng về một phía, đèn quay thuận chiều kim đồng hồ khi nhìn từ trên xuống; gấp ngược lại, đèn quay ngược chiều.
Mũi kim: ổ trục của người xưa
Mô men ma sát ở ổ trục tỉ lệ với lực ép nhân bán kính chỗ tiếp xúc. Một trục tì trên mũi kim có bán kính tiếp xúc gần như bằng không, nên mô men ma sát rất nhỏ. Đây là cùng một ý tưởng với kim la bàn đặt trên mũi nhọn, hay các đồng hồ cơ dùng chân kính. Đèn kéo quân hỏng thường không phải vì nến yếu mà vì mũi kim cùn, trục cong hoặc vòng dây thép phía trên kẹp quá chặt.
Bóng hình chạy trên vách: một bài quang học nhỏ
Phần "kéo quân" là chuyện của ánh sáng. Ngọn nến gần như một nguồn sáng điểm. Hình nhân cắt giấy đứng chắn giữa nến và vách nên để lại bóng trên vách. Bóng to hơn hình thật theo tỉ lệ khoảng cách: nếu hình nhân cách nến 5 cm còn vách cách nến 15 cm thì bóng to gấp ba. Vì thế những hình cắt nhỏ xíu vẫn hiện thành những người lính lớn trên mặt đèn.
Nguồn sáng càng nhỏ, bóng càng sắc nét. Một bóng đèn to hay một dải đèn dài sẽ tạo vùng nửa tối quanh mép bóng, khiến hình nhoè đi. Ngọn nến lại hay chao, nên bóng run rẩy, và chính sự run rẩy ấy làm đoàn quân trông sống động hơn.
Nến, bóng sợi đốt và đèn LED: thứ nào làm đèn quay được
Nhiều người mua đèn kéo quân dùng đèn LED rồi thắc mắc vì sao nó chỉ quay khi lắp pin vào một mô tơ nhỏ. Lý do nằm ở lượng nhiệt toả ra không khí.
| Nguồn | Nhiệt toả vào khí trong đèn | Tự quay bằng đối lưu? | Bóng hình |
|---|---|---|---|
| Nến sáp | Lớn, tập trung ở ngọn lửa (cỡ vài chục oát) | Có, nếu tán nhẹ và ổ trục trơn | Sắc, hơi chao, ấm màu |
| Đèn dầu nhỏ | Tương tự nến | Có | Sắc, có muội nếu bấc cao |
| Bóng đèn sợi đốt | Phần lớn điện năng thành nhiệt | Thường có, tuỳ công suất | Nhoè hơn vì bóng to |
| Đèn LED | Rất ít, nhiệt chủ yếu ở đế mạch | Hầu như không, phải dùng mô tơ | Sắc nếu chip nhỏ, ánh sáng lạnh hơn |
Nói cách khác, đèn kéo quân chạy bằng chính "phần lãng phí" của ngọn lửa. Đèn LED tiết kiệm điện ở chỗ ít toả nhiệt, nên lại không đủ sức nâng một luồng gió.
Chiếc đèn cũng cần đường thở. Phải có khe hở ở đáy cho khí lạnh vào và khe ở đỉnh cho khí nóng ra. Dán kín vách và nắp thì khí nóng tích lại bên trong, luồng đối lưu yếu hẳn, đèn quay ì ạch, nến có thể lụi vì thiếu khí.
Họ hàng của đèn kéo quân trên thế giới
Ý tưởng dùng khí nóng làm quay cánh xuất hiện ở nhiều nơi. Ở châu Âu có "smoke jack", bộ cánh đặt trong ống khói bếp, dùng luồng khói bốc lên để quay xiên nướng thịt; Leonardo da Vinci từng phác hoạ một thiết bị như vậy. Ở vùng núi Erzgebirge của Đức có tháp Giáng sinh bằng gỗ: mấy cây nến ở tầng dưới cùng làm quay một bộ cánh quạt gỗ trên đỉnh, kéo theo các tầng tượng nhỏ xoay vòng, nguyên lý giống hệt đèn kéo quân.
Ở quy mô lớn, các kỹ sư đã thử xây "tháp mặt trời đối lưu": một ống khói cao, dưới chân là nhà kính rộng hứng nắng, luồng khí nóng bốc lên quay tua bin phát điện. Một nhà máy thử nghiệm như vậy từng chạy ở Manzanares, Tây Ban Nha, trong thập niên 1980.
Tự làm thử: con rắn giấy xoay trên luồng khí ấm
Bạn có thể thấy nguyên lý của đèn kéo quân mà không cần thắp nến.
- Vẽ một đường xoắn ốc lên tờ giấy cứng cỡ nửa trang A4, vòng ngoài cùng cách mép khoảng 1 cm, các vòng cách nhau chừng 1,5 cm.
- Cắt theo đường xoắn để được một "con rắn" giấy. Xâu một sợi chỉ qua tâm, thắt nút ở mặt dưới.
- Treo con rắn phía trên một nguồn ấm an toàn: lò sưởi điện, bóng đèn sợi đốt (cách ít nhất 20 cm, giấy không được chạm bóng), hoặc một nồi nước nóng vừa tắt bếp. Trẻ nhỏ làm phải có người lớn bên cạnh.
- Chờ vài giây cho không khí lặng. Con rắn sẽ bắt đầu xoay chậm.
- Lật ngược con rắn rồi treo lại: chiều quay đổi theo, đúng như khi gấp ngược cánh tán đèn.
- Thử treo trên một đèn LED cùng độ sáng: con rắn gần như đứng yên.
Không dùng nến hay bật lửa cho thí nghiệm này. Giấy mỏng bắt lửa rất nhanh, và cái hay của phép thử nằm ở chỗ nó chạy được với nguồn nhiệt dịu.
Góc nhìn hôm nay: một động cơ nhiệt bé nhất trong nhà
Về bản chất, đèn kéo quân là một động cơ nhiệt: lấy nhiệt từ ngọn lửa, thải nhiệt ra không khí xung quanh, và chuyển một phần rất nhỏ thành chuyển động. Hiệu suất của nó cực thấp, gần như toàn bộ năng lượng của nến biến thành nhiệt và ánh sáng. Nhưng vì chỉ cần làm quay một tán giấy vài gam, chút ít ấy là đủ.
Lần tới cầm một chiếc đèn kéo quân, bạn có thể tự chẩn đoán: đèn không quay thì xem nến có đủ nóng, đáy và nắp có chỗ thoáng, mũi kim còn nhọn, trục có thẳng, cánh tán có bị ẩm làm xẹp góc gấp không. Đèn bán sẵn chạy LED thì tìm hộp pin và mô tơ nhỏ dưới đáy. Muốn xem đèn làm thủ công, phố Hàng Mã ở Hà Nội vào mùa trăng tháng Tám là nơi dễ gặp, và người bán thường sẵn lòng chỉ cho xem chiếc trục tì trên mũi kim.
Câu hỏi thường gặp
Đèn kéo quân hoạt động theo nguyên lý gì?
Đèn kéo quân hoạt động nhờ đối lưu nhiệt. Ngọn nến làm không khí nóng lên và nhẹ đi, khí nóng bốc lên đẩy vào các cánh giấy gấp nghiêng ở đỉnh trục, tạo mô men làm trục quay. Vòng hình nhân gắn trên trục hắt bóng lên vách đèn thành cảnh chuyển động.
Vì sao đèn kéo quân dùng đèn LED không tự quay?
Đèn LED toả rất ít nhiệt vào không khí xung quanh, nên không tạo được luồng khí nóng đủ mạnh để đẩy cánh tán. Các đèn kéo quân chạy LED bán ngoài chợ thường có thêm một mô tơ chạy pin để làm quay trục.
Vì sao đèn kéo quân quay chậm hoặc không quay?
Nguyên nhân hay gặp là ma sát ở ổ trục: mũi kim cùn, trục cong, vòng giữ phía trên quá chặt. Ngoài ra có thể do đèn bị dán kín không có khe thông khí, cánh tán ẩm làm mất góc nghiêng, hoặc nến quá nhỏ.
Đèn kéo quân quay theo chiều nào?
Chiều quay phụ thuộc vào chiều gấp nghiêng của các cánh tán ở đỉnh trục. Gấp ngược lại thì đèn quay ngược lại; luồng khí nóng luôn đi lên, chỉ có cánh quyết định nó bị bẻ sang phía nào.
Đèn kéo quân có phải là động cơ nhiệt không?
Có, theo nghĩa vật lý. Nó nhận nhiệt từ ngọn lửa, thải nhiệt ra môi trường và chuyển một phần rất nhỏ thành chuyển động quay. Hiệu suất rất thấp nhưng đủ để làm quay một tán giấy chỉ nặng vài gam.
