Diều sáo kêu vì chiếc sáo buộc trên diều là một khoang rỗng có miệng khe hẹp quay về hướng gió: luồng gió thổi vào bị chẻ đôi trên một mép sắc, dao động qua lại hai bên mép, và khoang khí phía sau cộng hưởng, khuếch đại đúng một tần số. Khoang càng to âm càng trầm, khoang càng nhỏ âm càng cao, nhiều khoang ghép lại thành hợp âm. Đó cũng là cơ chế khiến chai rỗng kêu "u u" khi thổi ngang miệng.
Tiếng đàn không người chơi giữa trời
Những chiều hè gió nồm trên đê sông Hồng, người ta nghe tiếng sáo diều trước khi kịp nhìn thấy cánh diều. Tiếng u u trầm ấm, có khi ngân dài, có khi nghe như một hợp âm mấy giọng chồng lên nhau, kéo dài hàng giờ mà không ai thổi. Diều sáo là thú chơi lâu đời của nhiều làng quê Bắc Bộ, nổi tiếng như làng Bá Giang ven sông Hồng ở Hà Nội, nơi vẫn có người làm sáo diều và tổ chức hội thả diều.
Cái "phép" ở đây có hai lớp. Lớp thứ nhất: vì sao một khối tre nứa cứng nhắc, không có bộ phận nào rung như dây đàn, lại phát ra âm thanh? Lớp thứ hai: vì sao mỗi chiếc sáo luôn kêu đúng một nốt, gió mạnh hay yếu cũng không đổi giọng bao nhiêu? Trả lời được hai câu ấy là hiểu được nguyên lý của cả sáo trúc, còi, ống sáo nhà thờ.
Chiếc sáo diều trông thế nào
Sáo diều truyền thống thường làm bằng ống tre, ống nứa hoặc vỏ quả khô khoét rỗng. Một mặt sáo được bịt kín, khoét một khe miệng hẹp và gọt mép thật sắc. Sáo được buộc chắc trên khung diều, miệng khe hướng về phía gió đón. Tuỳ vùng và tuỳ người làm, có sáo đơn một khoang, sáo đôi, sáo ba ghép nhiều khoang to nhỏ khác nhau, và những chiếc sáo lớn cho tiếng trầm vang mà mỗi nơi gọi một tên. Sáo nặng nên diều mang sáo thường to, khung chắc, và chỉ thả khi gió đủ mạnh.
Lớp thứ nhất: dòng khí đập vào mép sắc
Âm thanh là dao động áp suất lan truyền trong không khí. Không cần một dây đàn hay một màng trống; chỉ cần có thứ làm áp suất không khí lên xuống đều đặn vài trăm lần mỗi giây.
Khi gió lùa vào khe miệng sáo, nó tạo thành một luồng khí dẹt đập vào mép sắc phía đối diện. Luồng khí ấy không ổn định: nó lệch vào trong mép một chút, áp suất trong khoang tăng lên đẩy nó lệch ra ngoài, rồi lại bị hút vào trong. Luồng khí cứ lật qua lật lại hai bên mép, sinh ra một chuỗi xoáy nhỏ và những đợt nén giãn không khí. Giới âm học gọi đây là âm cạnh (edge tone). Bạn có thể nghe một âm cạnh yếu khi thổi mạnh qua mép một tờ giấy dựng đứng.
Tự thân âm cạnh nhỏ và không có cao độ rõ, nghe như tiếng xì. Cái biến nó thành tiếng sáo ngân là lớp thứ hai.
Lớp thứ hai: khoang khí cộng hưởng và cao độ
Khoang rỗng phía sau khe miệng chứa một khối không khí có tính đàn hồi như một cái lò xo. Không khí ở vùng miệng khe có khối lượng, giống như một quả nặng gắn trên lò xo đó. Hệ "quả nặng trên lò xo" có một tần số dao động riêng. Khi được dòng khí kích thích, khoang khí chọn đúng tần số riêng của mình để dao động mạnh, các tần số khác tắt dần. Đây là cộng hưởng, và loại khoang có cổ hẹp như thế gọi là bình cộng hưởng Helmholtz, theo tên nhà vật lý Đức Hermann von Helmholtz ở thế kỷ 19.
Tần số cộng hưởng của bình Helmholtz tỉ lệ với tốc độ âm thanh và với căn bậc hai của tỉ số giữa tiết diện miệng và tích của thể tích khoang với chiều dài cổ. Nói gọn:
- Khoang càng to, âm càng trầm. Thể tích tăng gấp bốn, tần số giảm còn một nửa, tức thấp đi một quãng tám.
- Miệng càng rộng, âm càng cao.
- Cổ càng dài, âm càng trầm.
Sáo diều có khoang dạng ống dài thì cũng có thể cộng hưởng theo kiểu cột khí trong ống, như sáo trúc: ống kín một đầu dài bao nhiêu thì bước sóng âm cơ bản dài gấp bốn lần như vậy. Dù theo kiểu nào, kích thước khoang quyết định cao độ.
Vì sao gió mạnh hay yếu sáo vẫn giữ giọng
Âm cạnh tự do có tần số tăng theo tốc độ gió. Nhưng khi được ghép với một khoang cộng hưởng, dao động của luồng khí bị khoang "khoá" vào tần số riêng của khoang trong một khoảng tốc độ gió khá rộng. Gió mạnh lên thì sáo kêu to hơn, cao độ gần như giữ nguyên. Gió quá yếu, luồng khí không đủ sức duy trì dao động, sáo tắt. Gió quá mạnh, có sáo nhảy lên một âm cao hơn, giống người thổi sáo trúc thổi mạnh thì vọt lên quãng tám.
Hợp âm từ nhiều khoang
Sáo đôi, sáo ba ghép nhiều khoang kích thước khác nhau, mỗi khoang cộng hưởng ở một tần số riêng. Người làm sáo giỏi chỉnh kích thước khoang và miệng để các tần số ấy hoà với nhau, tạo thành tiếng sáo có nhiều giọng mà nghe không chói. Đây là phần tay nghề khó nhất, thường được thử và gọt lại nhiều lần với gió thật.
Vì sao phải thả cao, và vì sao tiếng trầm bay xa
Sát mặt đất, gió bị nhà cửa, cây cối, đê điều cản lại nên vừa yếu vừa giật từng cơn. Càng lên cao, gió càng mạnh và đều hơn. Sáo diều cần một dòng khí ổn định để giữ dao động, nên diều phải lên đủ cao tiếng sáo mới đều, không bị đứt quãng.
Tiếng sáo diều thường trầm, và điều này có lý do vật lý. Không khí hấp thụ âm cao mạnh hơn âm trầm, nên đi xa thì phần âm cao mất trước. Âm trầm có bước sóng dài, cỡ một hai mét hay hơn, dễ vòng qua chướng ngại như cây cối, mái nhà. Vì vậy ở cách xa cả cây số, người ta vẫn nghe được tiếng u u của diều sáo lớn.
Diều bay nhờ đâu: vài dòng về lực nâng
Chiếc diều nghiêng một góc so với hướng gió. Gió đập vào mặt diều bị bẻ hướng xuống dưới, và theo định luật thứ ba của Newton, mặt diều bị đẩy ngược lên trên và về phía sau. Lực ấy chia thành thành phần nâng diều lên và thành phần cản kéo diều theo gió. Dây diều giữ lại, cân bằng với hai thành phần đó và với trọng lượng diều. Bộ dây lèo buộc vào khung quyết định góc nghiêng: góc quá nhỏ thì không đủ nâng, góc quá lớn thì cản nhiều, diều chúi hoặc ì. Đuôi diều tạo lực cản ở phía sau, giữ cho mũi diều luôn quay về hướng gió như cánh đuôi chong chóng gió.
Tự làm thử: chai nước và ống hút thành nhạc cụ
| Thí nghiệm | Làm gì | Quan sát và giải thích |
|---|---|---|
| Chai rỗng | Kề môi dưới vào miệng chai, thổi nhẹ ngang qua miệng | Chai kêu một âm trầm: chai là bình Helmholtz, luồng hơi đập vào mép chai tạo âm cạnh |
| Chai nửa nước | Đổ nước tới nửa chai, thổi như trên | Âm cao hơn khoảng 1,4 lần về tần số vì thể tích khí còn một nửa |
| Dàn chai | Xếp 5–6 chai giống nhau, đổ nước mỗi chai một mức | Mỗi chai một nốt; chỉnh mức nước để thành một gam nhạc |
| Ống hút bịt đáy | Cắt ống hút dài 20 cm và 10 cm, bịt một đầu bằng băng dính, thổi ngang đầu hở | Ống 10 cm cao hơn ống 20 cm một quãng tám: cột khí ngắn đi một nửa, tần số gấp đôi |
| Thổi mạnh dần | Thổi chai rỗng từ nhẹ tới mạnh | Âm to dần nhưng giữ cao độ, đến một lúc thì tắt hoặc vọt lên âm khác |
Dùng chai nhựa thay chai thuỷ tinh nếu có trẻ nhỏ. Thổi nhẹ thôi, thổi quá mạnh dễ chóng mặt.
Góc nhìn hôm nay: thả diều an toàn và giữ tiếng sáo
Diều sáo vẫn được thả ở nhiều làng ven sông, trên các bãi đất trống mỗi mùa hè. Vài điều cần nhớ để thú vui này không thành tai nạn:
- Tránh xa đường dây điện. Dây diều ẩm hoặc có sợi kim loại có thể dẫn điện. Diều mắc vào dây điện thì bỏ, không kéo giật, không trèo cột, báo cho ngành điện.
- Không thả diều gần sân bay. Diều bay cao có thể va vào máy bay đang cất hạ cánh; pháp luật Việt Nam cấm thả diều, bóng bay và các vật bay trong khu vực quanh sân bay.
- Chọn bãi trống, không thả trên mái nhà, ven đường giao thông. Diều sáo lớn kéo rất khoẻ, dây có thể cứa đứt tay; nên đeo găng khi giữ dây.
Muốn nghe tiếng sáo thật, hãy tìm các hội thả diều ở làng Bá Giang hay những bãi bồi ven sông Hồng vào chiều hè có gió. Nếu gặp người làm sáo, hỏi họ chuyện gọt miệng sáo: mỗi nhát dao ở mép khe là một lần chỉnh âm cạnh, đúng phần vật lý ta vừa nói.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao diều sáo kêu được?
Gió thổi vào khe miệng sáo bị chẻ đôi trên một mép sắc, dao động qua lại tạo âm cạnh. Khoang rỗng phía sau cộng hưởng và khuếch đại một tần số riêng, nên sáo phát ra tiếng ngân có cao độ rõ ràng.
Vì sao sáo diều to kêu trầm, sáo nhỏ kêu cao?
Cao độ do kích thước khoang khí cộng hưởng quyết định. Khoang càng lớn thì tần số cộng hưởng càng thấp nên âm trầm hơn; khoang nhỏ cho tần số cao hơn.
Gió mạnh có làm sáo diều kêu cao hơn không?
Thường không đáng kể. Gió mạnh làm sáo kêu to hơn, còn cao độ bị khoang cộng hưởng giữ gần như cố định trong một khoảng tốc độ gió. Chỉ khi gió quá mạnh, có sáo mới vọt lên một âm cao hơn.
Vì sao tiếng sáo diều nghe được rất xa?
Tiếng sáo diều thường trầm, mà âm trầm ít bị không khí hấp thụ hơn âm cao và dễ vòng qua chướng ngại nhờ bước sóng dài. Diều lại bay cao, ít vật cản giữa sáo và người nghe.
Thả diều gần đường dây điện có nguy hiểm không?
Rất nguy hiểm. Dây diều ẩm hoặc có kim loại có thể dẫn điện gây điện giật. Nếu diều mắc vào đường dây, hãy bỏ diều, không kéo, không trèo lên cột và báo cho ngành điện xử lý.
