ふうせんを ふくらませたら、ひんやり した気が する。そんな ふうに おもう ひとは いるかもしれません。でも、ゴムを しらべた じっけんでは、はんたいの ことが わかって います。

ゴムの ふうせんを いきおいよく ひっぱって、すぐ うわくちびるの うえに あてると、あつく かんじます。ひっぱった まま すこし まって、こんどは いきおいよく ちぢめて あてると、とても つめたく かんじます［1］。

ふくらむ ときは あたたかく、ちぢむ ときは つめたい。それなら、ふうせんの くうきが ぬけて しぼむ ときは、どうなるでしょう。

風船をふくらませると、ゴムは薄く引き伸ばされます。大阪市立科学館の報告にある実験では、ゴム風船を勢いよく引っ張ってすぐ上唇のあたりに当てると熱く感じます。引っ張ったまま室温になじませたあと、勢いよく縮めて当てると、今度はとても冷たく感じます［1］。

これは錯覚ではありません。同じ報告では、サーモグラフィの前で同じことをして、実際に温度が下がっていることを確かめています［1］。輪ゴムでも、伸ばして唇に当てると熱を感じ、離すと冷たく感じるという授業デモが、ワシントン大学の化学の授業で紹介されています［3］。

つまり、ゴムは伸びるときに温まり、縮むときに冷えます。空気が抜けて風船がしぼむときは、まさにゴムが縮んでいるときです。

風船をふくらませるとき、ゴムは引き伸ばされて温まる。冷えるのは逆向きの変化、すなわち収縮のときである。ゴム風船を勢いよく引っ張ってすぐ上唇に当てると熱く、引っ張ったまま周囲の温度になじませてから勢いよく縮めて当てると、とても冷たく感じる。大阪市立科学館の報告は、これが錯覚ではなく実際の温度低下であることを、サーモグラフィで再現して確かめている［1］。

ワシントン大学の授業デモでも、輪ゴムを伸ばして唇に当てると熱を感じ、離すと冷たく感じるとされる［3］。伸ばすと発熱し、縮めると吸熱する性質は、ゴフ・ジュール効果と呼ばれる［1］。

では、風船から空気が抜ける場面で、この収縮による冷却は実際に効いているのか。それを問題にしたのが、次の大会である。

2014ねんの、せかいの がくせいが きそう ぶつりの たいかいに、ふうせんの もんだいが でました。

「ふくらんだ ふうせんから くうきが ぬける とき、ふうせんの ひょうめんは さわると つめたく なる。この ひえかたに えいきょうする ものを しらべよ」という もんだいです［4］。

ここでも、つめたく なるのは、くうきが ぬける ときです。ふくらませる ときでは ありません。

ふうせんの なかでは、ゴムの ほかに、もう ひとつ、うごいて いる ものが あります。なんでしょう。

身近な風船の冷たさは、物理の大会でも問題になりました。2014年の国際学生物理大会（IYPT）の問題12「冷たい風船」です。内容は、膨らんだゴム風船から空気が抜けるとき、表面が触ると冷たくなるので、その冷却に影響するパラメータを調べよ、というものです。風船の各部分の温度は、関係するパラメータによってどう変わるかも問われました［4］。

ここで注意したいのは、問題文が「ふくらませるとき」ではなく「空気が抜けるとき」の冷たさを聞いていることです。ゴムが縮む場面と、風船の中の空気が外へ出ていく場面が、同時に起きているからです。

冷たさの原因は、ゴムだけなのか。それとも、出ていく空気にもあるのか。

この現象は、第27回IYPT（2014年）の問題12「Cold balloon」として出題された。要旨は、膨らんだゴム風船から空気が抜けるとき表面が触ると冷たくなる、その冷却に影響するパラメータを調べ、風船の各部の温度をパラメータの関数として示せ、というものである［4］。

問題文が「膨らませるとき」ではなく「空気が抜けるとき」と限定している点に意味がある。この場面では、ゴムの収縮と、風船内の空気の圧力低下による膨張が同時に進むからである。

冷却の原因は、ゴムの側にあるのか、空気の側にあるのか、あるいは両方か。

ゴムは、ながい ひもが たくさん からまって できて いる、と かんがえられて います。ひもの ようすを ぶんしと よびます。

ゴムを のばすと、からまって いた ひもが、すこし そろいます。そろうと、ばらばらの ようすが へります。

たとえば、へやの おもちゃを あつめて、はこに きれいに しまうと、ばらばらの ようすが へりますね。ゴムを のばすと、その へった ぶんの ばらばらさを、ゴムの ねつの ゆれが うけとって、あたたかく なります［2］。これは たとえで、ほんとうは ぶんしの うごきと ねつの でいりの はなしです。

もどる ときは、はんたいです。そろって いた ひもが、また ばらばらに もどります。その とき、まわりから ねつを もらうので、つめたく なるのです。ただし これは、ゴムの ひもを たとえた はなしで、ほんものの ゴムの ぶんしは、もっと ずっと ちいさく、ずっと ながい ものです。

ゴムは、長い鎖のような分子（高分子）が、からまりあってできています。ふだんは、その鎖はいろいろな向きにばらばらに曲がっています。

ゴムを引き伸ばすと、鎖の形の無秩序さが少し減って、整った状態になります。整うと、その分の「ばらばらさの度合い」（エントロピー）が減ります。熱の出入りが少ない速さで伸ばすと、ゴムの温度が上がります。大阪大学の研究報告では、そう説明されています［2］。

縮むときは逆です。整っていた鎖が乱雑な状態に戻ってエントロピーが増えますが、この増加には熱の吸収が必要です。ワシントン大学の授業デモの説明では、唇から熱が流れ込むので冷たく感じるといいます［3］。ゆっくり変化させると熱が周囲に逃げてしまうため、温度の変化を肌で感じるには、素早く変形させる必要があります［2］。

ゴムの弾性は、エネルギーではなく主にエントロピーに由来する。大阪大学の報告によれば、ゴムを変形させると高分子鎖の形態の無秩序さが少し減って秩序化する。熱の出入りが少ない速さで変形させると、ゴムの温度が上昇する（断熱条件）［2］。

収縮ではこの逆となる。整列していた鎖が乱雑な状態に戻るとエントロピーが増え、その増加に見合う熱を吸収するため、温度が下がる。ワシントン大学の授業デモは、この吸熱が唇から流れ込む熱で賄われるために冷たく感じる、と説明している［3］。

ただし、この温度変化が肌で分かるのは、熱が周囲へ逃げない速さで変形させた場合に限られる。ゆっくり変形させれば熱は逃げ、温度差はほとんど残らない［2］。空気が勢いよく抜ける風船は、熱が逃げにくい速い変化にあたる。

ふうせんの なかの くうきは、ぎゅっと おされて います。くうきが ぬけて、ひろい ところへ でると、ひろがります。

くうきは、まわりと ねつを やりとりする ひまが ないくらい はやく ひろがると、つめたく なります。たとえば、空を のぼる くうきが ひろがって つめたく なり、くもが できる しくみは、がっこうの りかで まなびます［5］。

この ひろがる くうきの ようすは、「おしくらまんじゅう」に にて います。ぎゅうぎゅうに おされて いる ときは、あつく なります。ひろがると、すきまが ふえて、すずしく なります［1］。ただし、ほんとうは くうきの つぶが ぶつかる ようすの はなしで、ひとが おす はなしでは ありません。これも たとえで、ほんとうは くうきの つぶの うごきと ねつの でいりの はなしです。

だから、ふうせんの つめたさには、ゴムと くうきの ふたつが かかわって いると かんがえられて います［6］。

もう一つの原因は、風船の中の空気です。ふくらんだ風船の中の空気は、ゴムに押されています。空気が抜けると、圧力が下がって空気が広がります。

空気は、周囲と熱をやりとりする間もなく広がると、温度が下がります。これを断熱膨張といいます。上昇した空気が膨張して冷え、水蒸気が凝結して雲ができる仕組みとして、中学校の理科で学ぶ内容です［5］。

大阪市立科学館の報告では、炭酸飲料用のペットボトルとポンプで空気を押し縮めたり広げたりして、この変化を体験しています。エタノールを1滴入れておくと、空気が広がったときにボトルの中に霧が出て、温度が下がったことが見えます。解説では、「おしくらまんじゅう」や満員電車で、人が押し縮められると熱くなり、広がると涼しくなる様子にたとえていました［1］。なお、この霧が出るのはペットボトルの実験の話で、風船から空気を抜くだけで霧が出るとは言えません。

2014年のIYPTの参加チームの解答例では、風船の冷却の原因を、空気の断熱膨張と、ゴムが縮むときのエントロピーの変化の2つに分けて考えているとされます［6］。どちらが主因かは、この記事では言いません。

もう一つの候補は、風船内の空気の断熱膨張である。膨らんだ風船の内部の空気は、口を開くと外へ出て圧力が下がり、膨張する。熱の出入りが間に合わないほど速く気体が膨張すると温度が下がる。学校の理科では、上昇する空気が膨張して冷え、雲ができる仕組みとして扱われる［5］。

大阪市立科学館の報告は、炭酸用ペットボトルとポンプで断熱圧縮・断熱膨張を体験させている。エタノールを1滴入れておくと、断熱膨張の際にボトル内に霧が生じ、温度低下が可視化できる。解説では、分子の集団が押し縮められると温度が上がり、広げられると下がるさまを、おしくらまんじゅうや満員電車にたとえている［1］。この霧はペットボトル実験の観察であり、風船から空気を抜くだけで霧が出るという主張の根拠にはならない。

IYPT 2014のハンガリー・スロバキアの参加者解答は、冷却を（1）風船内の空気が圧力低下で膨張する断熱冷却と、（2）引き伸ばされたゴムが縮むときのエントロピー変化による冷却、の2つに分けている［6］。どちらが主因かは、この記事では言わない。

ゴムを のばして もどすと、おんどが すうど かわると いわれます。すうどの ちがいは、はだでも かんじられる ぐらいの おおきさです［2］。

いっぽう、みずを たくさん ふくんだ ゼリーの ような ざいりょうを のばして もどしても、ほとんど かわりません。0.003ど ぐらいでした。ゴムの すうどとは、けたが ちがいます［2］。

ゴムが のびると あたたかく、ちぢむと つめたく なる せいしつは、「ゴフ・ジュールこうか」と よばれて います［7］。

ゴムを引き伸ばすと、温度は数℃も上がり、元に戻すと下がります。数℃なら肌でも感じられる大きさで、大学のオープンキャンパスや熱力学の授業のデモにも使われています。伸ばすときの温度上昇は、加えた力が熱に変わったと考えやすい一方、縮むときの温度低下は少し意外で、多くの人の興味を引く、と大阪大学の報告にあります［2］。

同じ報告に、水を94%含むゼリーのような素材（ハイドロゲル）の例があります。元の長さの1.65倍まで伸ばしたときの温度上昇は約0.003℃で、縮めるとほぼ同じだけ下がりました［2］。ゴムの数℃と比べると桁がちがい、この効果の大きさは素材によって大きく変わることが分かります。

この性質はゴフ・ジュール効果と呼ばれます。名前は、ゴムの温度変化を最初に観察したジョン・ゴフと、のちに詳しく調べたジェームズ・ジュールにちなむとされます［7］。

ゴムの温度変化は数℃に達し、肌で感じられる大きさである。大阪大学の報告は、伸ばすときの温度上昇は加えた力学エネルギーが熱になったと理解しやすいが、縮むときの温度低下は少し意外で興味を引くとして、この力学熱量効果が大学のオープンキャンパスや熱力学の授業のデモに使われることを述べている［2］。

ところが、効果の大きさは素材で桁が変わる。同報告では、水を94%含むハイドロゲルを元の長さの165%まで伸ばしたとき、温度は瞬間的に2.93 mK（約0.003℃）上がり、元に戻すと同じ大きさだけ下がった［2］。ゴムの数℃とは3桁ほどちがう。風船の冷却を考えるときも、ゴムという素材を選んだことが、冷たさを感じられる前提になっていると読める。

この効果の名は、最初に観察したジョン・ゴフと、のちに詳しく調べたジェームズ・ジュールにちなむとされる［7］。

今日できること

ひろい わゴムを よういして、おうちの ひとと いっしょに やります。いきおいよく のばして、すぐ てのこうに あてて みましょう。つぎに、のばした まま しばらく まって、いきおいよく ちぢめて あてて みましょう。かおの ほうへ はじけないように もちかたに きを つけ、ゴムで かゆく なったら やめます。

出かけてできること

かがくかんや りかの イベントで、ゴムの おんどの へんかを 見られる ところが あるかもしれません。きょうみが あれば、さがして みましょう。

こうしきの 情報じょうほう

おおさかし りつ かがくかんの ホームページに、この じっけんの ほうこくが のって います。

今日できること

幅の広い輪ゴムを両手で持ち、勢いよく伸ばしてすぐ上唇の上に当てます。次に、伸ばしたまま少し待って室温になじませてから、勢いよく縮めて当てます。熱く感じるか、冷たく感じるか、比べてみてください。顔に向けて跳ねないよう持ち方に気をつけ、ゴムで肌がかゆくなったらやめます。

風船でも試せます。ふくらませた風船の口を指でつまんで、少しずつ空気を出しながら、風船の表面を頬に当てます。感じ方には個人差があり、必ず冷たく感じるとは言えません。

出かけてできること

科学館や大学のオープンキャンパスで、ゴムの温度変化をサーモグラフィで見せる展示や実験を探してみましょう。

公式情報

大阪市立科学館の研究報告35号（2025年）に、ジュニア科学クラブで行われた涼しさの実験の報告があります。大阪大学の研究報告2018年版には、ゴムの温度変化の説明があります。

もっと知りたくなったら

ハイドロゲルが0.003℃しか変わらないのなら、ほかの素材ではどうでしょうか。身の回りの伸び縮みするものを、素材ごとに比べてみると、新しい疑問が見つかるかもしれません。

今日できること

幅の広い輪ゴムで唇テストを行い、伸ばしてすぐ当てる場合と、伸ばしたまま室温になじませてから縮めて当てる場合を比べる。ゴムが顔に跳ねないよう持ち方に注意し、肌がかゆくなったら中止する。ゴムを伸ばす速さを変えると、感じ方はどう変わるかを考えてみるのもよい。

風船を使うなら、口をつまんで少しずつ空気を出しながら表面を頬に当てる。感じ方には個人差があるので、結果は断定せず、記録にとどめる。

出かけてできること

科学館や大学の公開講座で、ゴムの温度変化をサーモグラフィで可視化する展示を探す。

公式情報

大阪市立科学館研究報告35（2025年）と、大阪大学理学研究科化学熱学実験施設の2018年研究報告（力学熱量効果）を読み、実験条件と測定値を確かめる。家にある風船と輪ゴムで、空気を抜く速さを変えたとき、または輪ゴムを縮める速さを変えたときに、冷たさの感じ方がどう変わるかを比べてみるのもよい。