Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|20|20) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (120|100|60) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 10min?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor AB = ( 80 80 40 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( 80 80 40 ) = ( 20 20 10 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 40 20 20 ) +t ( 20 20 10 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 10 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 40 20 20 ) +10 ( 20 20 10 ) = ( 240 220 120 ) , also im Punkt P(240|220|120).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|-150|250) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (300|0|350) angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 10s geflogen?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( 300 150 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 0 -150 250 ) +t ( 300 150 100 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 10 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 0 -150 250 ) +10 ( 300 150 100 ) = ( 3000 1350 1250 ) , also im Punkt P(3000|1350|1250).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(0|-150|250) nach P(3000|1350|1250) bewegt, also um den Vektor AP = ( 3000 1500 1000 ) . Dessen Länge ist 3000 2 + 15002 + 1000 2 = 12250000 = 3500m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|-50|20) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (-130|-170|80) angelangt.
Gib die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h an?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB = ( -120 -120 60 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -120 -120 60 ) = ( -60 -60 30 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-60) 2 + (-60)2 + 30 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m min = 5.4 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|0|10) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (-40|80|50) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 370m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( -80 80 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 40 0 10 ) +t ( -80 80 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 40m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 10 auf 370m (also 360m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 360 40 s = 9s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (3|-1|654) in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 21,6km/h in Richtung des Punktes B (15|-13|648) (alle Koordinatenangaben in Meter). Ihre Bewegungsbahn soll als geradlinig angenommen werden.
Wann kommt die Seilbahngondel im Punkt B an?

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Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 21600 m 3600 s = 6 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( 12 -12 -6 ) ist 12 2 + (-12)2 + (-6) 2 = 324 = 18 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 6 m s . braucht er für diese Strecke 18 6 s = 3s.
Punkt B wird als nach 3s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (15|0|0) (alle Angaben in Meter). Nach 4min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (-9|-24|-12) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 1,44 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 4 min den Vektor AB = ( -24 -24 -12 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( -24 -24 -12 ) = ( -6 -6 -3 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 15 0 0 ) +t ( -6 -6 -3 ) 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 = (-6) 2 + (-6)2 + (-3) 2 = 81 = 9.
Die Geschwindigkeit ist also v=9 m min
Für die Strecke von 1.44 km braucht es also 1440 9 min = 160min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 15 0 0 ) +160 ( -6 -6 -3 ) = ( -945 -960 -480 ) , also im Punkt P(-945|-960|-480).

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

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 4 3 1 ) +t ( -40 0 5 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (45|9|3) . Nach 1min ist es im Punkt B (5|7|9) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 2min von einander entfernt?

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F2 legt in 1min den Vektor AB = ( -40 -2 6 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 45 9 3 ) +t ( -40 -2 6 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 2min an der Stelle P1 ( 4 3 1 ) +2 ( -40 0 5 ) = ( -76 3 11 ) ; F2 an der Stelle P2 ( 45 9 3 ) +2 ( -40 -2 6 ) = ( -35 5 15 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-76|3|11) und P2(-35|5|15):
P1P2 = ( -35-( - 76 ) 5-3 15-11 ) = ( 41 2 4 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 41 2 4 ) | = 41 2 + 22 + 4 2 = 1701 ≈ 41.243181254603

Der Abstand ist also ca. 41.24 km.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 6 6 0,5 ) +t ( 6 -6 0,5 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (7|-65|2,5) . Nach 1h ist er im Punkt B (14|-58|2,8) angelangt. Bei beiden soll angenommen werden, dass sie sich mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn fortbewegen.
Wann sind die beiden Heißluftballone auf gleicher Höhe?

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Der Heißluftballon F2 legt in 1h den Vektor AB = ( 7 7 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 7 -65 2.5 ) +t ( 7 7 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:

0,5t +0,5 = 0,3t +2,5 | -0,5 -0,3t
0,2t = 2 |:0,2
t = 10

nach 10 h sind also beide auf gleicher Höhe: 0,510 +0,5 = 5.5 = 0,310 +2,5


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 9 -13 1,2 ) +t ( -7 6 0,3 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (9|-4|0,6) . Nach 4min ist es im Punkt B (-19|8|2,2) angelangt.
Ein Beobachter steht direkt senkrecht unter dem scheinbaren Schnittpunkt der beiden Flugbahnen. Wie hoch ist an dieser Stelle der Höhenunterschied der beiden Flugbahnen tatsächlich?

Lösung einblenden

Das Flugzeug F2 legt in 4min den Vektor AB = ( -28 12 1.6 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( -28 12 1.6 ) = ( -7 3 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 9 -4 0.6 ) +t ( -7 3 0.4 ) 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.

( 9 -13 1.2 ) +s ( -7 6 0.3 ) = ( 9 -4 0.6 ) +t ( -7 3 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

9-7s= 9-7t-13+6s= -4+3t

-7s +7t = 0 (I) 6s -3t = 9 (II)
-7s +7t = 0 (I) 6s -3t = 9 (II)

langsame Rechnung einblenden6·(I) + 7·(II)

-7s 7t = 0 (I) ( -42 +42 )s +( 42 -21 )t = (0 +63 ) (II)
-7s +7t = 0 (I) +21t = 63 (II)
Zeile (II): +21t = 63

t = 3

eingesetzt in Zeile (I):

-7s +7·(3 ) = 0 | -21
-7 s = -21 | : (-7)

s = 3

L={(3 |3 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 3min und das Flugzeug F2 nach 3min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 3min bei ( 9 -13 1.2 ) +3 ( -7 6 0.3 ) = ( -12 5 2.1 ) , während das Flugzeug F2 nach 3min bei ( 9 -4 0.6 ) +3 ( -7 3 0.4 ) = ( -12 5 1.8 ) ist.

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

2.1 - 1.8 = 0.3 km

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|50|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-170|130|80) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 720m erreicht?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( -140 80 80 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( -140 80 80 ) = ( -70 40 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -30 50 0 ) +t ( -70 40 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 40m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 0 auf 720m (also 720m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 720 40 s = 18s lang steigen (bzw. sinken).

Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -56 40 1,5 ) +t ( 5 -2 0,3 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|10|0,6) . Nach 4min ist es im Punkt B (-22|38|2,2) angelangt.
Ein Beobachter steht direkt senkrecht unter dem scheinbaren Schnittpunkt der beiden Flugbahnen. Wie hoch ist an dieser Stelle der Höhenunterschied der beiden Flugbahnen tatsächlich?

Lösung einblenden

Das Flugzeug F2 legt in 4min den Vektor AB = ( -12 28 1.6 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( -12 28 1.6 ) = ( -3 7 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -10 10 0.6 ) +t ( -3 7 0.4 ) 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.

( -56 40 1.5 ) +s ( 5 -2 0.3 ) = ( -10 10 0.6 ) +t ( -3 7 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-56+5s= -10-3t40-2s= 10+7t

5s +3t = 46 (I) -2s -7t = -30 (II)
5s +3t = 46 (I) -2s -7t = -30 (II)

langsame Rechnung einblenden2·(I) + 5·(II)

5s 3t = 46 (I) ( 10 -10 )s +( 6 -35 )t = ( 92 -150 ) (II)
5s +3t = 46 (I) -29t = -58 (II)
Zeile (II): -29t = -58

t = 2

eingesetzt in Zeile (I):

5s +3·(2 ) = 46 | -6
5 s = 40 | : 5

s = 8

L={(8 |2 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 8min und das Flugzeug F2 nach 2min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 8min bei ( -56 40 1.5 ) +8 ( 5 -2 0.3 ) = ( -16 24 3.9 ) , während das Flugzeug F2 nach 2min bei ( -10 10 0.6 ) +2 ( -3 7 0.4 ) = ( -16 24 1.4 ) ist.

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

3.9 - 1.4 = 2.5 km