Chong chóng giấy và sức gió: vì sao cánh quay, đo gió bằng số vòng

Chong chóng giấy quay vì mỗi cánh của nó nghiêng chéo so với hướng gió: gió đập vào cánh bị hắt sang một bên, và cánh bị đẩy về phía ngược lại. Bốn cánh cùng bị đẩy theo một chiều vòng tròn nên cả chong chóng quay quanh trục. Gió càng mạnh, chong chóng quay càng nhanh, nên chỉ cần đếm số vòng quay là bạn đã có một cái máy đo gió thô sơ tự làm.

Từ một tờ giấy vuông thành bốn cánh quạt

Chong chóng giấy là đồ chơi dân gian quen thuộc ở chợ quê, cổng trường và hội làng. Cách gấp phổ biến nhất chỉ cần một tờ giấy vuông: cắt bốn đường chéo từ bốn góc vào gần tâm, rồi gập một nửa của mỗi góc vào giữa và ghim lại. Ngoài giấy, trẻ con ngày trước còn làm chong chóng bằng lá dừa, lá chuối, và chong chóng tre xoe bay lên khi xoay mạnh que giữa hai bàn tay.

Điều thú vị là cách gấp giấy ấy đã tạo ra đúng thứ mà mọi tua-bin gió cần: các cánh xếp đều quanh một trục và nghiêng cùng một chiều. Thử tưởng tượng nếu một góc gập vào, góc bên cạnh lại gập ngược chiều: hai cánh sẽ đẩy nhau và chong chóng đứng im, chỉ rung rung.

Vì sao cánh nghiêng thì quay

Hãy nhìn một cánh chong chóng thật gần. Mặt cánh không vuông góc với gió mà xéo đi một góc. Khi không khí đập vào mặt xéo ấy, nó không thể đi xuyên qua giấy, nên bị lái sang một bên. Theo định luật thứ ba của Newton, khi cánh đẩy không khí sang trái, không khí cũng đẩy cánh sang phải với lực bằng như vậy. Vì cánh gắn vào trục, lực đẩy sang bên này biến thành chuyển động quay.

Bạn có thể cảm nhận điều đó bằng tay: đặt bàn tay xéo trước luồng gió của quạt điện, bạn sẽ thấy tay bị đẩy lệch sang một bên chứ không chỉ bị đẩy lùi.

Góc nghiêng bao nhiêu là vừa

Nếu cánh gần như song song với gió, gió lướt qua mà hầu như không đẩy gì. Nếu cánh vuông góc với gió, gió chỉ đẩy thẳng ra sau, không có thành phần nào đẩy sang bên để làm quay. Cánh chong chóng giấy gập vào tâm có độ nghiêng nằm giữa hai cực ấy, đủ để nhận gió và đủ để biến lực gió thành vòng quay.

Cánh tua-bin gió hiện đại không phẳng như giấy mà có mặt cắt cong giống cánh máy bay. Không khí chảy qua mặt cong tạo ra lực nâng theo phương ngang, kéo cánh quay rất hiệu quả. Đầu cánh còn được xoắn nhẹ dọc theo chiều dài, vì phần đầu cánh đi nhanh hơn phần gốc rất nhiều.

Đọc sức gió bằng mắt: thang Beaufort

Năm 1805, sĩ quan hải quân Anh Francis Beaufort soạn ra một bảng giúp thuỷ thủ ước lượng sức gió chỉ bằng cách nhìn sóng và cánh buồm. Về sau bảng được chỉnh lại để dùng trên đất liền và trở thành thang sức gió mà dự báo thời tiết nhiều nước, trong đó có Việt Nam, vẫn dùng. Khi bản tin nói "gió mạnh cấp 6, giật cấp 8", đó chính là thang Beaufort.

Cấp	Tốc độ gió (khoảng)	Nhìn thấy gì	Chong chóng giấy
0	Dưới 1 km/h	Khói bốc thẳng lên	Đứng im
1	1–5 km/h	Khói hơi nghiêng, lá cây gần như im	Nhích chậm hoặc đứng
2	6–11 km/h	Mặt cảm thấy gió, lá cây xào xạc	Quay đều, chậm
3	12–19 km/h	Lá và cành nhỏ lay động liên tục	Quay nhanh, vừa để chơi
4	20–28 km/h	Bụi và giấy vụn bay, cành nhỏ đung đưa	Quay tít, giấy mỏng bắt đầu méo
5	29–38 km/h	Cây nhỏ đung đưa cả thân	Dễ rách cánh, gập trục
6	39–49 km/h	Cành lớn lay động, khó giữ ô	Nên cất vào nhà

Cột cuối là quan sát gần đúng với một chong chóng giấy bìa mỏng, không phải số đo chuẩn. Chong chóng của bạn sẽ hơi khác tuỳ loại giấy và trục quay trơn hay rít.

Gió mạnh gấp đôi, sức mạnh gấp tám

Đây là con số đáng nhớ nhất của bài. Năng lượng mà gió mang qua một tua-bin không tăng đều theo tốc độ gió mà tăng theo lập phương của tốc độ. Gió nhanh gấp đôi thì mang năng lượng gấp 2 × 2 × 2 = 8 lần. Vì vậy, các nhà máy điện gió được đặt ở nơi gió mạnh và đều, như ven biển hay trên đồi cao, chứ không đặt bừa ở bất cứ đâu có gió.

Ở Việt Nam, những cột tua-bin trắng cao hàng chục mét đã quen mắt ở vùng ven biển Bạc Liêu, Sóc Trăng, Ninh Thuận và trên vùng đồi phía tây Quảng Trị, những nơi có gió mùa thổi mạnh và đều nhiều tháng trong năm.

Còn một giới hạn nữa: không có tua-bin nào lấy được hết năng lượng của gió. Nếu lấy hết, không khí sau tua-bin sẽ đứng yên và chặn luồng gió phía trước. Năm 1919, kỹ sư người Đức Albert Betz tính ra rằng một tua-bin lý tưởng chỉ lấy được tối đa khoảng 59% năng lượng gió đi qua nó. Tua-bin thật lấy được ít hơn con số đó.

Chong chóng, cối xay gió và máy đo gió

Con người dùng sức gió quay cánh từ rất lâu. Cối xay gió từng được dùng để xay hạt và bơm nước ở Trung Đông, châu Âu, đặc biệt là vùng đất thấp Hà Lan. Chúng làm đúng việc chong chóng giấy làm, chỉ to hơn và nối với cối xay hay máy bơm.

Một họ hàng khác của chong chóng là máy đo gió kiểu chén. Năm 1846, nhà thiên văn người Ireland Thomas Romney Robinson thiết kế một dụng cụ có bốn chén tròn gắn trên bốn cánh tay quay ngang. Phía lõm của chén hứng gió nhiều hơn phía lồi, nên cả cụm quay; đếm số vòng quay trong một khoảng thời gian là tính được tốc độ gió. Các trạm khí tượng ngày nay vẫn dùng loại máy đo theo nguyên lý ấy, thường là ba chén.

Dụng cụ	Trục quay	Gió làm gì	Dùng để
Chong chóng giấy	Song song với gió	Đẩy lệch các cánh nghiêng	Chơi, quan sát gió
Tua-bin gió	Song song với gió	Tạo lực nâng trên cánh cong	Phát điện
Máy đo gió kiểu chén	Thẳng đứng	Đẩy phía lõm mạnh hơn phía lồi	Đo tốc độ gió

Thử làm: chong chóng đếm vòng

Vật liệu

• Giấy bìa mỏng khổ vuông 15–20 cm (giấy thủ công dày hơn giấy in một chút là tốt)
• Một ống hút giấy cứng hoặc que kem dài, một hạt cườm, một chiếc ghim có đầu tròn
• Bút dạ màu, kéo, thước, đồng hồ bấm giờ trên điện thoại của bố mẹ

Các bước

1. Kẻ hai đường chéo của tờ giấy, cắt theo đường chéo từ mỗi góc vào, dừng lại cách tâm khoảng 2 cm.
2. Tô màu đậm một cánh để dễ đếm vòng.
3. Gập góc bên trái của mỗi cánh vào tâm, chồng lên nhau. Nhờ người lớn đâm ghim xuyên qua bốn góc và tâm, xâu thêm hạt cườm phía sau để cánh không cọ vào que, rồi cắm ghim vào ống hút. Người lớn nên bẻ cong hoặc bọc đầu nhọn của ghim lại.
4. Thổi nhẹ để thử. Nếu cánh rít, nới ghim cho lỏng hơn một chút.

Thí nghiệm

1. Đặt chong chóng trước quạt điện ở ba khoảng cách: 1 m, 2 m, 3 m. Ở mỗi chỗ, đếm số lần cánh màu đi qua đỉnh trong 10 giây. Làm ba lần, lấy số ở giữa.
2. Giữ khoảng cách 1 m, thử lần lượt số 1, số 2, số 3 của quạt.
3. Làm thêm một chong chóng bằng giấy in mỏng và một bằng bìa dày hơn, so xem cái nào quay nhanh hơn khi gió nhẹ, cái nào chịu được gió mạnh hơn.
4. Ra sân, đứng ở ba nơi: giữa sân trống, cạnh bức tường, dưới tán cây. Đếm vòng và ghi lại. Bạn sẽ thấy ngay nơi nào "khuất gió".

Ghi kết quả vào một bảng nhỏ. Nếu số vòng ở 1 m lớn hơn ở 3 m rất nhiều, bạn vừa đo được việc gió từ quạt yếu dần khi đi xa. Nếu chong chóng giấy mỏng quay nhanh khi gió nhẹ nhưng bị méo khi gió mạnh, bạn vừa gặp đúng bài toán của kỹ sư làm cánh tua-bin: cánh nhẹ thì nhạy, cánh cứng thì bền, phải chọn điểm cân bằng.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao chong chóng giấy quay khi có gió?

Các cánh chong chóng nghiêng chéo so với hướng gió, nên gió đập vào bị hắt sang một bên. Phản lực đẩy mỗi cánh về phía ngược lại, và vì các cánh nghiêng cùng một chiều nên chúng cùng đẩy chong chóng quay quanh trục.

Cách làm chong chóng giấy đơn giản nhất là gì?

Lấy tờ giấy vuông, cắt bốn đường chéo từ góc vào gần tâm, gập một nửa mỗi góc vào giữa rồi ghim xuyên qua tâm vào một que. Nên xâu hạt cườm giữa cánh và que để cánh quay trơn. Người lớn nên làm bước đâm ghim và bọc đầu nhọn.

Thang sức gió Beaufort là gì?

Đó là thang chia sức gió từ cấp 0 đến cấp 12, do Francis Beaufort đề xuất năm 1805, dựa vào những gì mắt thấy như khói, lá cây, sóng biển. Bản tin thời tiết ở Việt Nam dùng thang này khi nói gió cấp 6, giật cấp 8.

Tua-bin gió khác chong chóng giấy thế nào?

Cả hai đều có cánh xếp quanh trục và nghiêng để biến lực gió thành vòng quay. Khác ở chỗ cánh tua-bin có mặt cắt cong như cánh máy bay để tạo lực nâng, được xoắn dọc chiều dài, và trục nối với máy phát điện.

Vì sao điện gió phải đặt ở nơi gió mạnh?

Năng lượng của gió tăng theo lập phương tốc độ gió: gió nhanh gấp đôi mang năng lượng gấp tám lần. Một chỗ có gió mạnh hơn một chút đã cho nhiều điện hơn hẳn, nên nhà máy điện gió thường được đặt ở ven biển hoặc đồi cao có gió đều.