Elämme ilmameren pohjalla! Muovipullokoe paljastaa ilmanpaineen salaisuuden (Aikuisten lukion fysiikan kertauskirja)
Tiedekouluttaja Ken Kuwako täällä. Joka päivä on koe.
Aloitetaan yllättäen: onko sinulla juuri nyt kädessäsi lyijykynä? Jos on, tehdään pieni koe. Purista kynää molemmilta puolilta etusormillasi niin, että sormet painavat toisiaan vasten. No, kumpaan sormeen sattuu enemmän, oikeaan vai vasempaan?
Voimien tasapainon ja vuorovaikutuksen lain (Newtonin kolmannen lain) mukaan molempiin sormiin kohdistuu täsmälleen yhtä suuri voima. Silti kynän terävää päätä vasten oleva sormi huutaa selvästi kovempaa: ”Aijai!” Miksi sama voima tuntuu niin eri tavalla? Vastauksen takaa löytyy paine, lähes taianomainen käsite, joka hallitsee arkeamme ja jopa maailmankaikkeuden rakennetta.
Paineen kaava: voima ja pinta-ala
Vastaus on yksinkertainen: voima keskittyy aivan pienelle alalle. Voimien vaikutusta voi verrata oikeudenmukaisesti vain, jos pinta-ala on vakio. Siksi keksittiin paine. Paine tarkoittaa yhden neliömetrin alaan kohdistuvan voiman suuruutta.
P = F/S
(paine = voima ÷ pinta-ala, jolle voima vaikuttaa)
Paineen yksikkö on Pa (pascal). Lasketaan sama lyijykynäkoe. Oletetaan, että sormella painetaan voimalla 0,1 N (noin 10 gramman painoinen kappale) ja verrataan pinta-aloja.
Vasen sormi (tasainen pinta: 0,5 cm^2):
P_vasen = 20 000 Pa
Oikea sormi (terävä kärki: 0,01 cm2):
P_oikea = 100 000 Pa
Oikeaan sormeen kohdistuu siis jopa 50-kertainen paine vasempaan verrattuna! Ei ihme, että sattuu!
Me olemme ilmameren pohjalla elävät syväilmaihmiset!?
Siirrytään seuraavaksi paljon suurempaan mittakaavaan. Elämme parhaillaan yli 150 kilometriä paksun ilmakehän pohjalla. Niin kuin syvänmerenkalat elävät meren pohjassa, me olemme syväilmaihmisiä. Pääsi päällä on typpi- ja happihiukkasia pinottuna 150 kilometrin korkeudelle. Yksittäinen hiukkanen on kevyt, mutta yhdessä ne painavat valtavasti. Tämän painon aiheuttama paine on ilmanpaine (ilmakehän paine). Maanpinnalla ilmanpaine on keskimäärin noin 1 000 hPa (hehtopascalia).
”Hehto” tarkoittaa satakertaista, joten tämä vastaa 100 000 Pa:ta. Eli jokaista neliömetriä painaa 100 000 N (noin 10 tonnia!) voima. 100 000 newtonia ei kuitenkaan sano juuri mitään, eihän?
Maitotölkillä (1 kg = noin 10 N) kuvattuna se on kuin makaisit selälläsi ja päällesi olisi kasattu 10 000 maitotölkkiä. Pelkkä ajatus tuntuu musertavalta, mutta me pidämme tasapainon, koska kehomme työntää sisältäpäin takaisin samalla voimalla.
Ilmanpaine on yllättävän voimakas. Sen avulla voi jopa nostaa pöydän paperiarkin tapaisella aluslevyllä!
Koe, jossa näet ilman voiman omin silmin
”En usko, että meitä painetaan noin kovaa!” Kokeile sitten tätä. Kaada tyhjään pet-pulloon vähän kuumaa vettä ja ravista, jotta pullo täyttyy vesihöyrystä. Kaada vesi pois ja kiristä korkki heti tiukasti kiinni. Jätä pullo rauhaan. Noin minuutin kuluttua pullo alkaa yhtäkkiä rutista ja ritistä, ja se painuu armottomasti kasaan.
Tämä johtuu siitä, että pullon sisällä oleva vesihöyry jäähtyi ja tiivistyi takaisin vedeksi. Pullon sisäpuolesta tuli lähes tyhjiö, ja pullo ei kestänyt ulkopuolen ilmanpainetta (100 000 Pa) vaan romahti kasaan. Ilmanpaine on kuin näkymätön, valtava hirviö.
Miksi sipsipussi pullistuu vuoren huipulla?
Ilmanpaine ei paina vain ylhäältä, vaan joka suunnasta. Ilman ja veden kaltaiset ”virtaavat aineet” eli nesteet ja kaasut tunkeutuvat joka rakoon ja yrittävät työntää seiniä ulospäin. Oletko koskaan huomannut vaelluksella, että mukaan ottamasi naposteltavan pussi on pullistunut tiukaksi pallaksi?
Tämä tapahtuu, kun maanpinnalla (1 000 hPa) suljetun pussin sisällä oleva ilma viedään vuorelle, jossa ilmanpaine on matalampi (esimerkiksi 970 hPa). Silloin sisältä päin työntävä voima voittaa ulkopuolelta painavan voiman, ja pussi pullistuu.
Kun kävin Kansallisen tähtitieteellisen observatorion Nobeyaman asemalla, otin sipsipussin mukaan. Vertasin pussin ulkonäköä Tokiossa ja Nobeyamassa…
Nobeyamassa pussi oli selvästi pullistuneempi.
Tässä kuvassa pussi on mukana Kita-Yatsugatakessa, Tsuboniwan alueella 2 237 metrin korkeudessa.
Vastakohtana paineen pienenemiselle esittelen vielä Ibaragin luonnonmuseon näyttelyn, jossa paine kasvaa. Siinä pikanuudelikuppi kutistuu pienemmäksi ja pienemmäksi.
Jo 200 metrin syvyydessä kuppi on kutistunut.
Noste on vedenpaineen joukkuepeliä
Paljastetaan lopuksi, mistä kylvyssä ja uimahallissa tuntuva noste oikeastaan johtuu. Nostetta pidetään usein mystisenä voimana, joka tekee kehosta kevyen vedessä, mutta sekin syntyy paine-erosta. Mitä syvemmälle mennään, sitä enemmän vettä on päällä, ja sitä suuremmaksi vedenpaine kasvaa. Laskennallisesti jo 10 metrin sukellus lisää painetta 1 000 hPa, eli saman verran kuin 150 kilometrin ilmapatsas. Siitä näkee, kuinka paljon tiheämpää vesi on kuin ilma.
Tarkastellaan sitten vedessä olevaa esinettä. Syvemmällä oleva alapinta kokee aina suuremman paineen kuin yläpinta. Sivuilta tulevat voimat kumoavat toisensa, mutta ylös- ja alaspäin vaikuttavien voimien erotus jää ylöspäin työntäväksi voimaksi. Tämä on nosteen todellinen luonne. Noste ei ole taikavoima, vaan se syntyy, kun ympäröivä vesi yhteistuumin työntää esinettä ylöspäin. Se on vedenpaineen resultanttivoima.
Ilma ja vesi ovat niin arkisia, että niitä tuskin huomaa. Silti niiden sisällä ”pinta-ala” ja ”voima” luovat hämmästyttävän dynaamisen fysiikan maailman. Seuraavan kerran, kun tartut kynään tai avaat sipsipussin, muista tämä näkymätön paine.
Yhteydenotot ja toimeksiannot
Tuodaan tieteen ihmeet ja ilo lähemmäs arkea! Tälle sivustolle on koottu hauskoja kotona tehtäviä tiedekokeita ja vinkkejä niiden onnistumiseen. Selaile ja etsi vapaasti!
・Tiedeblogin sisältö on julkaistu myös kirjana. Lisätietoja täältä.
・Sivuston ylläpitäjästä Ken Kuwakosta voit lukea täältä.
・Toimeksiannot (kirjoittaminen, esitelmät, koekerhot, TV-ohjelmien asiantuntijatyö ja esiintymiset ym.) täältä.
・Artikkelipäivitykset julkaistaan X:ssä!
Tiedekokeiden kanavalla (Kagaku no Neta Channel) julkaistaan koevideoita!
１０月のイチオシ実験！
https://youtube.com/shorts/jLVKYRVI1uY?feature=share
テレビ番組監修・イベント等のお知らせ
- 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
- 『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。
- Koe! Mitä tapahtuu, kun perunalastupussi viedään vuorelle? Melkein räjähtää 2 237 metrin korkeudessa?! (Ilmanpaineen ihmeellinen maailma)
- Elämme ilmameren pohjalla! Muovipullokoe paljastaa ilmanpaineen salaisuuden (Aikuisten lukion fysiikan kertauskirja)
- Näyttääkö maailma erilaiselta hyönteisen silmin? Voikukan ja atsalean kukkiin kätketty salaisuus
- Katkesiko syömäpuikko? Liikkuiko se taaksepäin? Vesilasin oudot kuvat
- Näkymätön valo näkyväksi! Laser- ja savukonevalo-show
- 1 300 katselun muuri! Yläkoululaiset oppivat lyhytvideoista, kuinka vaikeaa viestin perille vieminen on (tiedeviestinnän kurssi)
- Onko verkkokalvon kuva ylösalaisin? Kalmarin silmämallikoe paljastaa valon ihmeet
- Tulokset niin siistejä, että ihastuttaa! Potentiaalienergian ja työn yhteys selviää radan ja marmorikuulan avulla
- Miksi lehden ylä- ja alapinta ovat eri värisiä? Valon ja solutiheyden yllättävä yhteys
