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
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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)。
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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
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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
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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)。
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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
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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)。
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(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
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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?
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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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