在广场游玩时,一个小孩将一个充有氢气的气球用细绳系于一个小石块上,并将小石块放置于水平地面上.已知小石块的质量为,气球(含球内氢气)的质量为,气球体积为V,空气密度为(V和均视作不变量),风沿水平方向吹,风速为υ.已知空气对气球的作用力(式中k为一已知系数,υ为气球相对空气的速度).开始时,小石块静止在地面上,如图所示.
(1)若风速υ在逐渐增大,小孩担心气球会连同小石块一起被吹离地面,试判断是否会出现这一情况,并说明理由.
(2)若细绳突然断开,已知气球飞上天空后,在气球所经过的空间中的风速υ为不变量,求气球能达到的最大速度的大小.
解:(1)小石块不会被风吹离地面.以气球和小石块组成的系统为研究对象:地面对小石块支持力的大小为恒定,跟风速v无关.
(2)气球的最大水平速度等于风速,即vxm=v.
当竖直方向的合力为零时,竖直分速度最大,即,
则
气球能达到的最大速度的大小为