走馬燈為何能“走”起來？

走馬燈是我國傳統(tǒng)燈籠的一種，通常在春節(jié)、元宵節(jié)、中秋節(jié)等重大節(jié)日懸掛，用來增添節(jié)日的氣氛。點(diǎn)亮走馬燈時(shí)，燈籠內(nèi)部的騎馬人物開始旋轉(zhuǎn)，看起來就像是馬兒在奔跑，仿佛在進(jìn)行一場追逐賽，給人帶來視覺上的享受和節(jié)日的歡樂。那么，走馬燈是如何讓這些馬兒“跑起來”的呢？這還得從走馬燈的構(gòu)造說起。

（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

走馬燈的構(gòu)造

走馬燈的構(gòu)成主要包括燈籠外殼、轉(zhuǎn)軸、支撐結(jié)構(gòu)和裝飾部分。燈籠外殼通常由紙、竹篾或布料制成，外觀上裝飾有色彩豐富的圖案，既具美觀性，又便于透光。轉(zhuǎn)軸位于燈籠的頂部，是支撐燈籠旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，通常由輕巧的材料如竹篾或金屬制成。底部則設(shè)置了支撐結(jié)構(gòu)，確保整個(gè)燈籠懸掛或固定時(shí)保持平穩(wěn)。

宮燈式走馬燈的組裝方式（圖片來源：[1]）

除此之外，燈籠外還常常附有各種節(jié)慶裝飾，如花鳥、福字等，增強(qiáng)節(jié)日氣氛。那么，古代沒有電機(jī)，走馬燈是如何自動(dòng)旋轉(zhuǎn)起來的呢？

走馬燈的原理

這背后其實(shí)有著非常有趣的力學(xué)原理。走馬燈的旋轉(zhuǎn)主要依賴于空氣流動(dòng)、重心不穩(wěn)以及轉(zhuǎn)動(dòng)軸的作用。

1.熱氣流與對流作用

傳統(tǒng)的走馬燈往往是由蠟燭或小型燈泡提供光源。點(diǎn)燃蠟燭后，蠟燭的火焰會(huì)加熱周圍的空氣，使空氣變得輕盈并開始上升。根據(jù)熱力學(xué)中的原理，熱空氣會(huì)上升，而較冷的空氣則會(huì)向下流動(dòng)，形成對流循環(huán)。當(dāng)蠟燭下方的空氣上升時(shí)，它會(huì)推動(dòng)燈籠內(nèi)的空氣流動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)燈籠轉(zhuǎn)動(dòng)。

走馬燈內(nèi)部的熱對流示意圖（圖片來源：[2]）

這種自然的空氣流動(dòng)所形成的上升氣流，和下降的冷空氣共同作用，使得走馬燈能夠在沒有外力干預(yù)的情況下自行旋轉(zhuǎn)。這種利用空氣的流動(dòng)和對流的方式，使得走馬燈在旋轉(zhuǎn)時(shí)既具趣味性，也充滿了節(jié)日的氣氛。

2.不穩(wěn)定的重心與軸心作用

走馬燈的旋轉(zhuǎn)還與其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。走馬燈的中心通常設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)軸，這個(gè)轉(zhuǎn)軸是支撐燈籠旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件。為了確保燈籠能夠穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)需要具備良好的平衡性。轉(zhuǎn)軸一般固定在燈籠的上方，并且需要保證燈籠整體重心的偏移。當(dāng)燈籠開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，重心不穩(wěn)定會(huì)在一定程度上產(chǎn)生一個(gè)力矩，進(jìn)而促進(jìn)旋轉(zhuǎn)。

（圖片來源：[2]）

此外，走馬燈的燈身設(shè)計(jì)通常采用輕巧的紙質(zhì)或竹制材料，這樣可以減少旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性力，保證旋轉(zhuǎn)的順暢與持續(xù)。由于燈身不重且結(jié)構(gòu)簡潔，當(dāng)空氣對流形成的上升氣流與燈籠重心不穩(wěn)定的力量相結(jié)合時(shí)，燈籠便能自然而然地旋轉(zhuǎn)。

3.自由旋轉(zhuǎn)與空氣的相互作用

走馬燈的旋轉(zhuǎn)并不是持續(xù)不斷的，它會(huì)受到空氣流動(dòng)和蠟燭火焰變化的影響。例如，當(dāng)蠟燭燃燒不穩(wěn)定時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度可能會(huì)減慢或加速。與此同時(shí)，風(fēng)速的變化也會(huì)影響走馬燈的旋轉(zhuǎn)。走馬燈的設(shè)計(jì)巧妙地結(jié)合了空氣流動(dòng)的自然規(guī)律，使其在不同環(huán)境下能夠表現(xiàn)出不同的旋轉(zhuǎn)效果。

如何自制走馬燈？

自制走馬燈不僅是一項(xiàng)有趣的手工活動(dòng)，還能幫助你更好地理解其工作原理。以下是自制走馬燈的步驟，感興趣的小伙伴可以根據(jù)這些簡單的指導(dǎo)，打造一個(gè)屬于你的獨(dú)特走馬燈。

1.準(zhǔn)備材料

制作走馬燈所用到的材料包括：2個(gè)紙杯（最好選用厚一點(diǎn)的紙杯，以確保穩(wěn)定性）、裁紙刀、記號(hào)筆、金屬絲（用于支撐結(jié)構(gòu)）、蠟燭（作為熱源）。

2.制作紙杯扇葉

首先，取一只紙杯，使用記號(hào)筆在杯身上畫出一系列均勻間距的豎線。接著，用裁紙刀小心地沿這些豎線裁開。在每條豎線靠近紙杯底部的一端，畫出一條垂直的短線，形成倒置的“L”形。沿這些短線裁開后，將這些紙片小心地向外折疊，形成一定的傾斜角度。這些折疊的紙片就是走馬燈旋轉(zhuǎn)時(shí)的扇葉，它們會(huì)在熱氣流的推動(dòng)下開始旋轉(zhuǎn)。

（圖片來源：[3]）

3.制作支撐架

取另一只紙杯，在其杯身中部對稱地打三個(gè)小孔。然后將金屬絲穿過這些孔，利用金屬絲將兩只紙杯固定在一起，并確保它們的連接穩(wěn)固。金屬絲的末端需要向上延伸，形成一個(gè)尖銳的支點(diǎn)，用于支撐第一只紙杯。接著，用裁紙刀小心地挖開紙杯的底部，以便于放置蠟燭，充當(dāng)熱源。

（圖片來源：[3]）

4.完成組裝與測試

最后，將制作好的紙杯固定在金屬絲支架上，確保紙杯可以平穩(wěn)地懸掛。點(diǎn)燃蠟燭，并將紙杯的“煙囪”底座輕輕套在蠟燭周圍。蠟燭的火焰產(chǎn)生的熱氣流會(huì)促使紙杯內(nèi)的空氣上升，從而推動(dòng)紙杯開始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)熱空氣通過紙杯的扇葉時(shí)，旋轉(zhuǎn)會(huì)更加平穩(wěn)。請注意，確保蠟燭和紙杯保持安全距離，避免因過熱引發(fā)火災(zāi)。

（圖片來源：[3]）

通過了解走馬燈的工作原理，我們不僅能更加欣賞它的美麗，還能通過動(dòng)手制作走馬燈，體驗(yàn)其中的樂趣與創(chuàng)造力。無論是作為節(jié)日裝飾，還是作為親子活動(dòng)的一部分，走馬燈都是一個(gè)值得我們傳承與享受的傳統(tǒng)藝術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/ljyYgtaX0H35v-bfXCfq7w

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/j_WwvGttV_S69yDFaNcmkg

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/JW480svzr55-f0RUElW1YQ

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/fKV2MCJcd1bqkToptELmFw

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/dK3ER3ZUzobkLmPZIJ36fA

來源：力學(xué)科普

編輯：zzz

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