Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen


Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|0|150) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (350|200|350) angelangt.
Wo ist die Rakete nach 9s?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( 350 200 200 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 0 0 150 ) +t ( 350 200 200 ) 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 = ( 0 0 150 ) +9 ( 350 200 200 ) = ( 3150 1800 1950 ) , also im Punkt P(3150|1800|1950).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|-40|10) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (290|280|170) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 12min geflogen?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor AB = ( 320 320 160 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( 320 320 160 ) = ( 80 80 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -30 -40 10 ) +t ( 80 80 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 12 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -30 -40 10 ) +12 ( 80 80 40 ) = ( 930 920 490 ) , also im Punkt P(930|920|490).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-30|-40|10) nach P(930|920|490) bewegt, also um den Vektor AP = ( 960 960 480 ) . Dessen Länge ist 960 2 + 9602 + 480 2 = 2073600 = 1440m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|-200|200) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (1050|-800|800) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( 1050 -600 600 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 1050 -600 600 ) = ( 350 -200 200 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 350 2 + (-200)2 + 200 2 = 202500 = 450.
Die Geschwindigkeit ist also v=450 m s = 1620 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (200|-250|50) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (1400|350|450) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 5250m erreicht?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB = ( 1200 600 400 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( 1200 600 400 ) = ( 300 150 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 200 -250 50 ) +t ( 300 150 100 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 100m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 50 auf 5250m (also 5200m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 5200 100 s = 52s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|-10|20) und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 216km/h in Richtung des Punktes B (80|-50|40) (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt es im Punkt B an?

Lösung einblenden

Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 216000 m 3600 s = 60 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( 40 -40 20 ) ist 40 2 + (-40)2 + 20 2 = 3600 = 60 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 60 m s . braucht er für diese Strecke 60 60 s = 1s.
Punkt B wird als nach 1s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (12|-18|0) (alle Angaben in Meter). Da der Wind extrem gleichmäßig ist, fliegt er mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn. Nach 3min ist er im Punkt B (-114|-126|108) angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 6,6 km zurückgelegt hat?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 3 min den Vektor AB = ( -126 -108 108 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( -126 -108 108 ) = ( -42 -36 36 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 12 -18 0 ) +t ( -42 -36 36 ) 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 = (-42) 2 + (-36)2 + 36 2 = 4356 = 66.
Die Geschwindigkeit ist also v=66 m min
Für die Strecke von 6.6 km braucht es also 6600 66 min = 100min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 12 -18 0 ) +100 ( -42 -36 36 ) = ( -4188 -3618 3600 ) , also im Punkt P(-4188|-3618|3600).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 3600 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-3|56|9) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (3|41|7) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 9 9 0 ) +t ( 5 -15 0 ) . (alle Koordinaten in m; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn).
Wie weit sind der Heißluftballon und die Drohne nach 1min von einander entfernt?

Lösung einblenden

Der Heißluftballon legt in 1min den Vektor AB = ( 6 -15 -2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -3 56 9 ) +t ( 6 -15 -2 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 1min an der Stelle P1 ( 9 9 0 ) +1 ( 5 -15 0 ) = ( 14 -6 0 ) ; Der Heißluftballon an der Stelle P2 ( -3 56 9 ) +1 ( 6 -15 -2 ) = ( 3 41 7 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(14|-6|0) und P2(3|41|7):
P1P2 = ( 3-14 41-( - 6 ) 7-0 ) = ( -11 47 7 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -11 47 7 ) | = (-11) 2 + 472 + 7 2 = 2379 ≈ 48.774993593029

Der Abstand ist also ca. 48.77 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-95|5|1,1) . Nach 2s ist sie im Punkt B (-79|-7|1,7) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -7 5 0,6 ) +t ( -3 -6 0,4 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn).
Wann sind die Seilbahngondel und die Drohne auf gleicher Höhe?

Lösung einblenden

Die Seilbahngondel legt in 2s den Vektor AB = ( 16 -12 0.6 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 16 -12 0.6 ) = ( 8 -6 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -95 5 1.1 ) +t ( 8 -6 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 +1,1 | -0,6 -0,3t
0,1t = 0,5 |:0,1
t = 5

nach 5 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,45 +0,6 = 2.6 = 0,35 +1,1


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -60 -6 1,1 ) +t ( 8 -5 0,3 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-4|1|0,6) . Nach 5h ist er im Punkt B (-44|-44|2,6) angelangt. Bei beiden soll angenommen werden, dass sie sich mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn fortbewegen.
Die Partyheißluftballone sprühen einen pinken Farbstoff aus, so dass ihre Flugbahn noch einige Zeit später zu erkennen ist. Ein Beobachter steht direkt senkrecht unter dem scheinbaren Schnittpunkt der beiden Flugbahnen der Ballone. Wie hoch ist an dieser Stelle der Höhenunterschied der beiden Flugbahnen tatsächlich?

Lösung einblenden

Der Heißluftballon F2 legt in 5h den Vektor AB = ( -40 -45 2 ) zurück.
In 1h legt es also den Vektor 1 5 ( -40 -45 2 ) = ( -8 -9 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -4 1 0.6 ) +t ( -8 -9 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.

( -60 -6 1.1 ) +s ( 8 -5 0.3 ) = ( -4 1 0.6 ) +t ( -8 -9 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-60+8s= -4-8t-6-5s= 1-9t

8s +8t = 56 (I) -5s +9t = 7 (II)
8s +8t = 56 (I) -5s +9t = 7 (II)

langsame Rechnung einblenden5·(I) + 8·(II)

8s 8t = 56 (I) ( 40 -40 )s +( 40 +72 )t = ( 280 +56 ) (II)
8s +8t = 56 (I) +112t = 336 (II)
Zeile (II): +112t = 336

t = 3

eingesetzt in Zeile (I):

8s +8·(3 ) = 56 | -24
8 s = 32 | : 8

s = 4

L={(4 |3 )}

Das heißt also, dass der Heißluftballon F1 nach 4h und der Heißluftballon F2 nach 3h an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

der Heißluftballon F1 ist also nach 4h bei ( -60 -6 1.1 ) +4 ( 8 -5 0.3 ) = ( -28 -26 2.3 ) , während der Heißluftballon F2 nach 3h bei ( -4 1 0.6 ) +3 ( -8 -9 0.4 ) = ( -28 -26 1.8 ) ist.

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

2.3 - 1.8 = 0.5 km

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|20|10) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (180|-60|30) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 270m erreicht?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB = ( 160 -80 20 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( 160 -80 20 ) = ( 80 -40 10 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 20 20 10 ) +t ( 80 -40 10 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 10m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 10 auf 270m (also 260m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 260 10 min = 26min lang steigen (bzw. sinken).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -10 -8 2 ) +t ( -4 -3 4 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-5|-1|1) . Nach 3min ist es im Punkt B (-20|-10|13) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 1min von einander entfernt?

Lösung einblenden

F2 legt in 3min den Vektor AB = ( -15 -9 12 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( -15 -9 12 ) = ( -5 -3 4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -5 -1 1 ) +t ( -5 -3 4 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 1min an der Stelle P1 ( -10 -8 2 ) +1 ( -4 -3 4 ) = ( -14 -11 6 ) ; F2 an der Stelle P2 ( -5 -1 1 ) +1 ( -5 -3 4 ) = ( -10 -4 5 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-14|-11|6) und P2(-10|-4|5):
P1P2 = ( -10-( - 14 ) -4-( - 11 ) 5-6 ) = ( 4 7 -1 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 4 7 -1 ) | = 4 2 + 72 + (-1) 2 = 66 ≈ 8.124038404636

Der Abstand ist also ca. 8.12 km.