Ilmapallosta lämmityspatja!? Venytettynä lämmin, kutistuessa kylmä – kumin ja lämmön outo yhteys
Olen Ken Kuwako, tiedevalmentaja. Joka päivä on koe.
Venytä ilmapalloa reippaasti — ja tunnet, kuinka poskesi lämpenee. Päästä sitten irti ja anna sen kutistua — viileä tunne leviää ihollesi. Tarvitset vain yhden ilmapallon. Sillä yhdellä pienellä esineellä pääset kokemaan termodynamiikan maailman omin käsin. Tein tämän kokeen hiljattain yliopiston termodynamiikan luennolla, ja jopa aikuiset huudahtivat ihmetyksestä. Tänään kerron tästä kiehtovasta kumiin ja lämpöön liittyvästä ilmiöstä.
Tieteen resepti: kokeile lämpötilaeroja ilmapallolla
Tarvitset: ilmapallon (euron kaupan halvimmatkin käyvät mainiosti!)
Aloitetaan yksinkertaisimmasta tavasta.
Menetelmä 1: Venytä ja vapauta
① Paina lepotilassa oleva, täyttämätön ilmapallo poskeasi (tai huuliasi — iho on siellä erityisen herkkä) vasten ja tarkista, miltä se tuntuu.
② Vedä ilmapalloa nopeasti molemmilla käsillä reippaasti venyttäen — pallo poskea vasten koko ajan.
③ Päästä irti ja anna ilmapallon palautua alkutilaansa — pallo edelleen poskea vasten.
Tulos: Huomasitko? Venytysvaiheessa ilmapallo tuntui lämpimältä, ja kun päästit irti, se viilenee selvästi!
Entistä dramaattisempi versio: täytä ja tyhjennä
Jos haluat tuntea lämpötilaeron vieläkin selvemmin, kokeile täyttää ilmapallo. Pyydä kaveria tai perheenjäsentä lainaamaan poskeaan — se kannattaa!
Menetelmä 2: Täytä ja tyhjennä
① Paina täyttämätön ilmapallo lapsen tai perheenjäsenen poskea vasten.
② Puhalla ilmapallo täyteen reippaasti — pysy poskea vasten koko ajan.
③ Kysy, miltä täytetty ilmapallo tuntuu poskea vasten. (Vastaus on varmasti: ”Lämmin!”)
④ Laske sitten ilma hitaasti ulos ilmapallosta — pallo edelleen poskea vasten.
⑤ Kysy uudelleen, miltä kutistuva ilmapallo tuntuu.
Tulos: Täyttövaiheessa ilmapallo tuntui lämpimältä — mutta tyhjentäessä kylmyys on yllättävän voimakas! Tämä kannattaa ehdottomasti kokeilla itse.
Miksi näin käy? Kumimolekyylit leikkivät ”sardiinileikkiä”
Molemmissa menetelmissä on kyse samasta ilmiöstä. Koe on helppo tehdä, mutta taustalla piilee termodynamiikan ”adiabaattinen muutos” — lukion fysiikan tason käsite. Se kuulostaa monimutkaiselta, mutta ajatellaan asiaa ilmapallon kumimolekyylien näkökulmasta, niin homma selkeytyy.
Ilmapallon kumi koostuu lukemattomista pienistä kumimolekyyleistä, jotka ketjuuntuvat toisiinsa ja liikkuvat vapaasti — hieman kuin lapset, jotka juoksentelevat leikkipuistossa.
Kun venytät ilmapalloa:
Pakotamme kumimolekyylit järjestäytymään riviin. Se on kuin kaadettaisiin kaikki leikkipuiston lapset pieneen, ahtaaseen luokkaan leikkimään sardiinileikkiä. Ahtaassa tilassa molekyylit ”stressaantuvat” ja purkavat energiansa lämpönä ulos. Siksi ilmapallo lämpenee.
Kun päästät irti:
Riviin pakotetut molekyylit vapautuvat. ”Vihdoinkin vapaus!” — ja ne alkavat liikkua taas innokkaasti. Liikkeeseen tarvittava energia on otettava jostakin, ja se jostakin on… sinun poskesi. Poskes luovuttaa lämpönsä molekyyleille, ja tunnet ihollasi viileän tunteen.
Lähde: 【KEKエッセイ #29】チコちゃんは知っていた！ゴムはなぜ元に戻るのか https://www.kek.jp/ja/topics/20200715-2
Ilmiön nimi: Gough-Joulen efekti
Tällä ilmiöllä — ”kumi lämpenee venyessä ja viilenee kutistuessaan” — on oma nimensä. Gough havaitsi sen vuonna 1805, ja myöhemmin Joule tutki sitä tarkemmin. Siksi sitä kutsutaan Gough-Joulen efektiksi.
Kumin polymeerimolekyylit ovat luonnollisessa tilassaan sekaisin kietoutuneina — korkean entropian tilassa.
Venytyksessä: polymeeriketjut pakotetaan järjestäytymään (entropia laskee). Tähän käytetty työ vapautuu lämpönä.
Kutistumisessa: ketjut palaavat kaoottiseen tilaansa ja imevät ympäristöstä energiaa — kumi viilenee.
Tässä on yksi kumin suurimmista erityispiirteistä: metallisessa jousessa palautusvoima perustuu atomien väliseen sähköiseen vetovoimaan, eikä se juurikaan riipu lämpötilasta. Kumin kimmoisuus sen sijaan perustuu tilastolliseen voimaan, joka pyrkii maksimoimaan entropian — ja mitä kuumempaa, sitä voimakkaammin kumi haluaa kutistua.
NGK Science Siten kokeessa ”Kumin omituiset ominaisuudet” (https://site.ngk.co.jp/lab/no261/) lämmitetään ja jäähdytetään kumia — ja tapahtuu jotain yllättävää: lämmittäminen saa kumin kutistumaan.
Venytetyssä tilassa kumimolekyylit voivat ottaa vain jäykän, ojennetun muodon. Kun kumi kutistuu, molekyylit voivat taas liikkua vapaammin. Koska aineet yleensä siirtyvät korkeammassa lämpötilassa vapaampaan tilaan, venytetty kumi kutistuu lämmitettäessä.
Kokemus on tieteen ensimmäinen askel
Tieteessä törmää usein tällaiseen: ilmiö on hauska ja helppo kokeilla, mutta selitys vaatii jo hieman enemmän pähkäilyä. Mutta juuri se on tieteen viehätys — aloita ihmettelemällä. ”Hei, mikä ihme?” tai ”Tämä on outoa!” Ihon tuntuma on parempi opettaja kuin mikään kaava.
Yhdestä ilmapallosta aukeaa polku termodynamiikkaan, entropiaan ja tulevaisuuden jäähdytysteknologiaan — se on tieteen parasta antia. Katso myös lämpökamerakuvaukset tästä kokeesta täältä:
Yhteydenotot ja tilaukset
Tiedettä lähemmäs arkea! Täältä löydät hauskoja kotona tehtäviä kokeita ja selkeitä vinkkejä niiden toteuttamiseen. Etsi ja tutki!
・Tieteen reseptivihkon sisällöstä on tehty kirja. Lisätietoja täältä
・Tietoa ylläpitäjä Ken Kuwakosta täältä
・Tilaukset (kirjoitukset, luennot, koelaboratoriot, TV-neuvonta ja -esiintymiset jne.) täältä
・Artikkelipäivitykset X:ssä!
Tieteen reseptikanava julkaisee kokevideoita!
６月のイチオシ実験！
レモンやオレンジで風船を割ろう！インパクトが抜群のリモネン風船の実験
テレビ番組監修・イベント等のお知らせ
- 6月26日（金） 公開研究会「脱作業化！デジタル化と段階的指導で実現する オームの法則の探究」
- ６月28日（日） ダビンチマスターズ＠昭和女子
- 6月30日（火） 6/30 23:56〜 【科学監修・出演】「地球まるごと大実験ネイチャーティーチャー」（TBS）
- 7月18日（土） 教員向け実験講習会「ナリカカサイエンスアカデミー」の講師をします。お会いしましょう。
- 12月26日（土） ナリカサイエンスアカデミー（教員向け実験講習会）開催
書籍のお知らせ
- ７月16日発売 『高校入試 分解問題集 理科』（学研）…難しい問題も小さな問題に分解することで、問題を解くことができます。そんな分解の技術が身につくように深く関わりを持って作りました。
- 『大人のための高校物理復習帳』（講談社）…一般向けに日常の物理について公式を元に紐解きました。特設サイトでは実験を多数紹介しています。※増刷がかかり６刷となりました（2026/02/01）
- 『きめる!共通テスト 物理基礎 改訂版』（学研）… 高校物理の参考書です。イラストを多くしてイメージが持てるように描きました。授業についていけない、物理が苦手、そんな生徒におすすめです。特設サイトはこちら。
各種SNS（更新情報をお届け！）
【日本語】X(Twitter)／instagram／Facebook 【英語】BlueSky／Threads
Explore
- 楽しい実験…お子さんと一緒に夢中になれるイチオシの科学実験を多数紹介しています。また、高校物理の理解を深めるための動画教材も用意しました。
- 理科の教材… 理科教師をバックアップ！授業の質を高め、準備を効率化するための選りすぐりの教材を紹介しています。
- Youtube…科学実験等の動画を配信しています。
- 科学ラジオ …科学トピックをほぼ毎日配信中！AI技術を駆使して作成した「耳で楽しむ科学」をお届けします。
- 講演 …全国各地で実験講習会・サイエンスショー等を行っています。
- About …「科学のネタ帳」のコンセプトや、運営者である桑子研のプロフィール・想いをまとめています。
- お問い合わせ …実験教室のご依頼、執筆・講演の相談、科学監修等はこちらのフォームからお寄せください。
