Đèn kéo quân và khí nóng bốc lên: làm xoắn ốc giấy tự quay tại nhà

Đèn kéo quân tự quay vì không khí nóng nhẹ hơn không khí lạnh nên bốc lên. Ngọn nến ở đáy đèn hun nóng không khí, luồng khí nóng đi lên và đẩy vào một chiếc tán có các cánh giấy nghiêng ở đỉnh đèn, giống gió đẩy chong chóng. Tán quay kéo theo cả khung hình nhân bên trong, và bóng của chúng chạy vòng quanh lớp giấy bên ngoài.

Cấu tạo một chiếc đèn kéo quân

Đèn kéo quân là loại đèn Trung thu cổ truyền của người Việt, ngày trước bày bán nhiều ở phố Hàng Mã (Hà Nội) mỗi dịp rằm tháng Tám. Nhìn từ ngoài, nó là một chiếc đèn lồng hình hộp hay hình lục giác, khung tre, dán giấy bóng mờ. Bên trong có bốn bộ phận chính:

Bộ phận	Làm bằng gì	Làm nhiệm vụ gì
Ngọn nến hoặc đĩa dầu	Sáp, dầu	Vừa chiếu sáng, vừa làm nóng không khí
Trục quay	Que tre nhỏ, đầu dưới tựa lên mũi kim hoặc đầu đinh	Cho phần bên trong quay tự do với ma sát rất nhỏ
Tán (bánh xe gió)	Giấy dày cắt thành nhiều cánh, bẻ nghiêng cùng chiều	Hứng luồng khí nóng đi lên và biến nó thành vòng quay
Khung hình nhân	Hình cắt bằng giấy cứng, gắn trên các nan nối với trục	Quay theo trục, đổ bóng lên lớp giấy ngoài

Các hình nhân ngày xưa thường kể những tích quen thuộc: ông đồ đi thi, cảnh cày cấy, đám rước, con vật mười hai con giáp. Ánh nến ở giữa chiếu bóng chúng lên vách giấy, và khi khung quay, những cái bóng nối nhau chạy mãi không dừng. Vì thế mới có câu "quay như đèn kéo quân" để chỉ người bận rộn chạy việc liên tục.

Theo nhiều tài liệu, loại đèn tương tự đã có ở Trung Hoa từ khoảng một nghìn năm trước, tên gọi có nghĩa là "đèn ngựa chạy". Người Việt làm theo cách riêng, với tích truyện và hình nhân của mình.

Vì sao không khí nóng bốc lên

Không khí gồm vô số phân tử nhỏ li ti chuyển động hỗn loạn. Khi được đun nóng, các phân tử chạy nhanh hơn và va đập mạnh hơn, đẩy nhau ra xa. Cùng một lượng không khí nay chiếm chỗ rộng hơn, nên mỗi lít không khí nóng chứa ít phân tử hơn, tức là nhẹ hơn một lít không khí lạnh.

Con số cụ thể: ở mặt đất, một mét khối không khí ở 20°C nặng khoảng 1,2 kg. Cũng một mét khối ấy được đun lên 100°C chỉ còn nặng khoảng 0,95 kg, nhẹ hơn chừng một phần năm. Không khí lạnh nặng hơn xung quanh sẽ chìm xuống và chen vào bên dưới, đẩy khối khí nóng lên trên. Đó cũng là lý do một khúc gỗ bị nước đẩy nổi lên: vật nhẹ hơn chất bao quanh nó thì bị đẩy lên.

Dòng không khí (hay nước) chuyển động vì chỗ nóng chỗ lạnh như thế gọi là đối lưu. Trong đèn kéo quân, đối lưu tạo ra một luồng gió nhỏ đi thẳng từ ngọn nến lên đỉnh đèn. Không khí lạnh hơn lùa vào qua khe hở phía dưới để thế chỗ, nên luồng gió ấy chảy liên tục chừng nào nến còn cháy.

Biến luồng khí bốc lên thành vòng quay

Luồng khí nóng chỉ đi thẳng lên. Muốn nó làm quay một cái trục, cần những cánh nghiêng chặn ngang đường đi. Khí bốc lên đập vào mặt nghiêng của cánh, bị hắt sang một bên, và đẩy cánh về phía ngược lại. Đây chính là nguyên lý của chong chóng giấy, chỉ khác là gió thổi từ dưới lên chứ không phải từ phía trước.

Luồng khí trong đèn khá yếu, nên mọi thứ phải được làm sao cho thật nhẹ và trơn:

• Trục tựa trên mũi kim. Điểm tiếp xúc nhỏ xíu nên ma sát gần như không đáng kể.
• Hình nhân bằng giấy, không dùng gỗ hay bìa dày.
• Tán đặt ngay trên ngọn lửa nhưng đủ cao để không bén lửa, nơi luồng khí nóng mạnh và tập trung nhất.
• Khung cân đối, các hình nhân phân bố đều quanh trục. Khung lệch một bên sẽ nghiêng và cọ vào thành đèn.

Đèn kéo quân là một động cơ nhiệt thô sơ: nó biến nhiệt của ngọn nến thành chuyển động. Hiệu suất của nó rất thấp, phần lớn nhiệt bay mất qua đỉnh đèn, nhưng nguyên lý "nhiệt sinh ra dòng khí, dòng khí làm quay cánh" cũng là nguyên lý chung của nhiều cỗ máy lớn hơn nhiều.

Đối lưu ở quanh ta

• Khinh khí cầu. Năm 1783, anh em nhà Montgolfier ở Pháp thả bay một quả cầu vải và giấy chứa đầy khói nóng. Cuối năm đó, hai người đàn ông đầu tiên bay lên bằng khí cầu khí nóng trên bầu trời Paris. Khinh khí cầu ngày nay vẫn dùng đúng nguyên lý ấy, với đầu đốt khí gas.
• Chim và dù lượn bay vòng tròn mà không vỗ cánh. Mặt đất bị nắng hun nóng không đều, tạo ra những cột khí nóng bốc lên. Chim lượn vào đó để được nâng lên cao mà không tốn sức.
• Nồi nước đang đun. Nhìn kỹ nồi nước sắp sôi, bạn thấy nước ở giữa trồi lên, nước ở thành nồi chìm xuống thành vòng tròn.
• Máy lạnh treo cao. Khí lạnh nặng nên chìm xuống, thổi từ trên cao xuống giúp cả phòng mát đều. Ở xứ lạnh, lò sưởi lại đặt sát sàn, vì khí nóng tự bay lên.
• Gió biển. Ban ngày đất liền nóng nhanh hơn mặt biển, khí trên đất bốc lên, khí mát từ biển tràn vào thành gió mát thổi lên bờ.

Đèn có lửa: những điều phải nói thẳng

Đèn kéo quân truyền thống làm bằng giấy và tre, bên trong có lửa. Đó là tổ hợp rất dễ cháy. Mỗi mùa Trung thu vẫn có những vụ đèn lồng bắt lửa.

• Thắp nến, thay nến là việc của người lớn. Trẻ không tự châm lửa.
• Đèn có nến phải để ở chỗ thoáng, xa rèm cửa, giấy, quần áo; luôn có người lớn ở cạnh.
• Khi rước đèn, trẻ nên dùng đèn chạy pin. Đèn kéo quân hiện đại cũng thường dùng bóng đèn và động cơ điện nhỏ để quay, an toàn hơn nhiều.
• Không thả đèn trời (đèn bay bằng lửa). Đèn rơi xuống khi lửa chưa tắt có thể đốt cháy mái nhà, rừng, ruộng khô. Nhiều nơi trên thế giới đã cấm thả loại đèn này.

Thử làm: xoắn ốc giấy quay không cần gió

Đây là "đèn kéo quân rút gọn": chỉ có phần tán, không cần nến.

Vật liệu

• Một tờ giấy in, compa hoặc đĩa tròn để vẽ, kéo, bút
• Một sợi chỉ dài 30 cm, băng dính
• Nguồn nhiệt do người lớn chuẩn bị: một cốc nước vừa đun sôi, hoặc một bóng đèn sợi đốt kiểu cũ đang bật

Các bước

1. Vẽ một hình tròn đường kính khoảng 15 cm. Bên trong, vẽ một đường xoắn ốc bắt đầu từ mép đi vào, cách nhau chừng 1,5 cm mỗi vòng, kết thúc ở một chấm nhỏ ở tâm.
2. Cắt theo đường tròn rồi cắt dọc đường xoắn ốc. Bạn được một dải giấy cuộn như con rắn.
3. Dán đầu chỉ vào tâm xoắn ốc rồi nhấc lên, xoắn ốc sẽ duỗi ra như lò xo.
4. Người lớn đặt cốc nước vừa sôi lên bàn. Bạn cầm đầu chỉ, giữ xoắn ốc treo phía trên miệng cốc, cách khoảng 15–20 cm. Đứng yên và không thở vào nó.

Sau vài giây, xoắn ốc bắt đầu xoay chầm chậm. Không có gió từ bên cạnh, không ai thổi, chỉ có hơi nóng bốc lên từ cốc nước. Thử thêm: treo xoắn ốc trên một bóng đèn LED đang bật. Gần như không có gì xảy ra, vì đèn LED toả rất ít nhiệt so với bóng sợi đốt. Đó cũng là lý do đèn LED tiết kiệm điện hơn: ít năng lượng bị phí thành nhiệt.

Xem đối lưu bằng mắt

Đổ nước lạnh vào một bình thuỷ tinh trong. Người lớn rót nước nóng vào một lọ nhỏ, nhỏ vài giọt màu thực phẩm rồi dùng kẹp thả nhẹ lọ xuống đáy bình. Dòng nước màu sẽ trồi lên như làn khói, rồi lan ra trên mặt. Bạn đang nhìn thấy đúng thứ diễn ra bên trong chiếc đèn kéo quân, chỉ là bằng nước thay vì không khí.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao đèn kéo quân tự quay được?

Ngọn nến làm nóng không khí, không khí nóng nhẹ hơn nên bốc lên thành một luồng gió nhỏ. Luồng gió ấy đẩy vào các cánh nghiêng của chiếc tán ở đỉnh đèn, làm tán quay và kéo theo khung hình nhân gắn cùng trục.

Đối lưu là gì?

Đối lưu là sự chuyển động của không khí hoặc nước do chênh lệch nóng lạnh: phần nóng nhẹ hơn bốc lên, phần lạnh nặng hơn chìm xuống thế chỗ. Gió biển, nồi nước đang đun và luồng khí trong đèn kéo quân đều là đối lưu.

Không khí nóng nhẹ hơn không khí lạnh bao nhiêu?

Ở mặt đất, một mét khối không khí 20°C nặng khoảng 1,2 kg, còn ở 100°C chỉ khoảng 0,95 kg, nhẹ hơn chừng một phần năm. Chênh lệch ấy đủ để tạo luồng khí bốc lên làm quay đèn kéo quân hay nâng khinh khí cầu.

Trẻ em có tự làm đèn kéo quân được không?

Phần cắt giấy, dán hình nhân và làm tán trẻ có thể làm cùng người lớn. Việc châm nến, đặt nến và trông đèn khi có lửa phải do người lớn đảm nhận. Đèn để rước nên dùng đèn pin hoặc đèn LED.

Câu "quay như đèn kéo quân" nghĩa là gì?

Câu này chỉ người bận rộn, chạy việc liên tục không ngơi tay, giống những hình nhân trong đèn cứ quay vòng mãi không dừng. Nó lấy hình ảnh từ chiếc đèn Trung thu quen thuộc của người Việt.