Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|-50|20) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (-80|-110|40) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 2min?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1min den Vektor AB = ( -30 -60 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -50 -50 20 ) +t ( -30 -60 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 2 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -50 -50 20 ) +2 ( -30 -60 20 ) = ( -110 -170 60 ) , also im Punkt P(-110|-170|60).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (100|-200|250) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-800|-1250|1150) angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 7s geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( -900 -1050 900 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -900 -1050 900 ) = ( -300 -350 300 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 100 -200 250 ) +t ( -300 -350 300 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 7 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 100 -200 250 ) +7 ( -300 -350 300 ) = ( -2000 -2650 2350 ) , also im Punkt P(-2000|-2650|2350).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(100|-200|250) nach P(-2000|-2650|2350) bewegt, also um den Vektor AP = ( -2100 -2450 2100 ) . Dessen Länge ist (-2100) 2 + (-2450)2 + 2100 2 = 14822500 = 3850m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|-250|150) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (450|50|250) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( 450 300 100 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 450 2 + 3002 + 100 2 = 302500 = 550.
Die Geschwindigkeit ist also v=550 m s = 1980 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-20|-50|0) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (-180|-210|80) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 720m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor AB = ( -160 -160 80 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( -160 -160 80 ) = ( -40 -40 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -20 -50 0 ) +t ( -40 -40 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 20m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 0 auf 720m (also 720m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 720 20 min = 36min lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (100|-50|0) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1620km/h in Richtung des Punktes B (1300|1150|600) (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt sie im Punkt B an?

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Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 1620000 m 3600 s = 450 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( 1200 1200 600 ) ist 1200 2 + 12002 + 600 2 = 3240000 = 1800 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 450 m s . braucht er für diese Strecke 1800 450 s = 4s.
Punkt B wird als nach 4s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-12|-12|0) (alle Angaben in Meter). Da der Wind extrem gleichmäßig ist, fliegt er mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn. Nach 1min ist er im Punkt B (36|12|6) angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 4,32 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1 min den Vektor AB = ( 48 24 6 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -12 -12 0 ) +t ( 48 24 6 ) beschreibt also den Ortsvektor zu dem Punkt, an dem sich das Bewegungsobjekt nach t min befindet.
Dieser Richtungsvektor (der in 1 min zurückgelegt wird) hat die Länge = 48 2 + 242 + 6 2 = 2916 = 54.
Die Geschwindigkeit ist also v=54 m min
Für die Strecke von 4.32 km braucht es also 4320 54 min = 80min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -12 -12 0 ) +80 ( 48 24 6 ) = ( 3828 1908 480 ) , also im Punkt P(3828|1908|480).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 480 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-54|-2|47) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (36|-2|-13) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 0 -4 -2 ) +t ( 29 3 -20 ) . (alle Koordinaten in m; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn).
Wie weit sind der Heißluftballon und die Drohne nach 5min von einander entfernt?

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Der Heißluftballon legt in 3min den Vektor AB = ( 90 0 -60 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( 90 0 -60 ) = ( 30 0 -20 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -54 -2 47 ) +t ( 30 0 -20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 5min an der Stelle P1 ( 0 -4 -2 ) +5 ( 29 3 -20 ) = ( 145 11 -102 ) ; Der Heißluftballon an der Stelle P2 ( -54 -2 47 ) +5 ( 30 0 -20 ) = ( 96 -2 -53 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(145|11|-102) und P2(96|-2|-53):
P1P2 = ( 96-145 -2-11 -53-( - 102 ) ) = ( -49 -13 49 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -49 -13 49 ) | = (-49) 2 + (-13)2 + 49 2 = 4971 ≈ 70.505318948289

Der Abstand ist also ca. 70.51 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|-66|1) . Nach 2s ist sie im Punkt B (-26|-58|1,6) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 5 -1 0,6 ) +t ( -5 -9 0,4 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn).
Wann sind die Seilbahngondel und die Drohne auf gleicher Höhe?

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Die Seilbahngondel legt in 2s den Vektor AB = ( 4 8 0.6 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 4 8 0.6 ) = ( 2 4 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -30 -66 1 ) +t ( 2 4 0.3 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Um den Zeitpunkt zu finden, wann beide die gleiche Höhe haben, muss einfach ein t gefunden werden, bei dem die x3-Koordinate bei beiden Gleichungen gleich groß ist, also:

0,4t +0,6 = 0,3t +1 | -0,6 -0,3t
0,1t = 0,4 |:0,1
t = 4

nach 4 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,44 +0,6 = 2.2 = 0,34 +1


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|9|0,7) . Nach 4s ist sie im Punkt B (-22|-7|1,9) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -88 -31 0 ) +t ( 9 4 0,4 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn).
Es gibt einen Zeitpunkt, an dem die Drohne genau über der Seilbahn ist. Berechne den vertikalen Höhenunterschied zwischen Drohne und Seilbahn an dieser Stelle.

Lösung einblenden

Die Seilbahngondel legt in 4s den Vektor AB = ( -12 -16 1.2 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( -12 -16 1.2 ) = ( -3 -4 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -10 9 0.7 ) +t ( -3 -4 0.3 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Den scheinbaren Schnittpunkt der beiden Bewegungsbahnen, den man von direkt darüber oder direkt darunter sehen könnte, berechnet man indem man die x1- und x2-Koordinaten der beiden Geradengleichungen gleichsetzt.

( -88 -31 0 ) +s ( 9 4 0.4 ) = ( -10 9 0.7 ) +t ( -3 -4 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-88+9s= -10-3t-31+4s= 9-4t

9s +3t = 78 (I) 4s +4t = 40 (II)
9s +3t = 78 (I) 4s +4t = 40 (II)

langsame Rechnung einblenden4·(I) -9·(II)

9s 3t = 78 (I) ( 36 -36 )s +( 12 -36 )t = ( 312 -360 ) (II)
9s +3t = 78 (I) -24t = -48 (II)
Zeile (II): -24t = -48

t = 2

eingesetzt in Zeile (I):

9s +3·(2 ) = 78 | -6
9 s = 72 | : 9

s = 8

L={(8 |2 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 8s und die Seilbahngondel nach 2s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 8s bei ( -88 -31 0 ) +8 ( 9 4 0.4 ) = ( -16 1 3.2 ) , während die Seilbahngondel nach 2s bei ( -10 9 0.7 ) +2 ( -3 -4 0.3 ) = ( -16 1 1.3 ) ist.

Sie haben dort also die selben x1- und x2-Koordinaten, in der Höhe (x3-Koordinate) haben sie jedoch einen Unterschied von

3.2 - 1.3 = 1.9 m

Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|-10|50) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (40|-70|70) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 9s?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( 30 -60 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 10 -10 50 ) +t ( 30 -60 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 9 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 10 -10 50 ) +9 ( 30 -60 20 ) = ( 280 -550 230 ) , also im Punkt P(280|-550|230).

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|-6|0) (alle Angaben in Meter). Da der Wind extrem gleichmäßig ist, fliegt er mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn. Nach 1min ist er im Punkt B (18|-30|6) angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 6,48 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1 min den Vektor AB = ( 48 -24 6 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -30 -6 0 ) +t ( 48 -24 6 ) beschreibt also den Ortsvektor zu dem Punkt, an dem sich das Bewegungsobjekt nach t min befindet.
Dieser Richtungsvektor (der in 1 min zurückgelegt wird) hat die Länge = 48 2 + (-24)2 + 6 2 = 2916 = 54.
Die Geschwindigkeit ist also v=54 m min
Für die Strecke von 6.48 km braucht es also 6480 54 min = 120min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -30 -6 0 ) +120 ( 48 -24 6 ) = ( 5730 -2886 720 ) , also im Punkt P(5730|-2886|720).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 720 (in m).