Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|-50|50) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-550|1150|450) angelangt.
Wo ist die Rakete nach 12s?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 50 -50 50 ) +t ( -150 300 100 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 12 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 50 -50 50 ) +12 ( -150 300 100 ) = ( -1750 3550 1250 ) , also im Punkt P(-1750|3550|1250).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|50|40) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (-50|140|60) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 3min geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1min den Vektor AB = ( -60 90 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 10 50 40 ) +t ( -60 90 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 3 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 10 50 40 ) +3 ( -60 90 20 ) = ( -170 320 100 ) , also im Punkt P(-170|320|100).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(10|50|40) nach P(-170|320|100) bewegt, also um den Vektor AP = ( -180 270 60 ) . Dessen Länge ist (-180) 2 + 2702 + 60 2 = 108900 = 330m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|-10|10) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-210|-220|190) angelangt.
Wie groß ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( -180 -210 180 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -180 -210 180 ) = ( -60 -70 60 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-60) 2 + (-70)2 + 60 2 = 12100 = 110.
Die Geschwindigkeit ist also v=110 m s = 396 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|30|40) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (320|270|280) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 2680m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB = ( 280 240 240 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( 280 240 240 ) = ( 70 60 60 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 40 30 40 ) +t ( 70 60 60 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 60m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 40 auf 2680m (also 2640m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 2640 60 s = 44s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (1|2|654) in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 32,4km/h in Richtung des Punktes B (-11|26|651) (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= 32400 m 3600 s = 9 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -12 24 -3 ) ist (-12) 2 + 242 + (-3) 2 = 729 = 27 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 9 m s . braucht er für diese Strecke 27 9 s = 3s.
Punkt B wird als nach 3s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-24|-24|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 (-12|-36|6) angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 2,52 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1 min den Vektor AB = ( 12 -12 6 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -24 -24 0 ) +t ( 12 -12 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 = 12 2 + (-12)2 + 6 2 = 324 = 18.
Die Geschwindigkeit ist also v=18 m min
Für die Strecke von 2.52 km braucht es also 2520 18 min = 140min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -24 -24 0 ) +140 ( 12 -12 6 ) = ( 1656 -1704 840 ) , also im Punkt P(1656|-1704|840).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 840 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 2 6 0 ) +t ( 0 -40 5 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (12|127|-10) . Nach 4s ist sie im Punkt B (4|-33|14) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 5s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 4s den Vektor AB = ( -8 -160 24 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( -8 -160 24 ) = ( -2 -40 6 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 12 127 -10 ) +t ( -2 -40 6 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 5s an der Stelle P1 ( 2 6 0 ) +5 ( 0 -40 5 ) = ( 2 -194 25 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 12 127 -10 ) +5 ( -2 -40 6 ) = ( 2 -73 20 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(2|-194|25) und P2(2|-73|20):
P1P2 = ( 2-2 -73-( - 194 ) 20-25 ) = ( 0 121 -5 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 0 121 -5 ) | = 0 2 + 1212 + (-5) 2 = 14666 ≈ 121.10326172321

Der Abstand ist also ca. 121.1 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -10 -3 0,8 ) +t ( -9 -7 0,2 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-43|-28|1,1) . Nach 1h ist er im Punkt B (-39|-25|1,2) 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 = ( 4 3 0.1 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -43 -28 1.1 ) +t ( 4 3 0.1 ) 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:

0,2t +0,8 = 0,1t +1,1 | -0,8 -0,1t
0,1t = 0,3 |:0,1
t = 3

nach 3 h sind also beide auf gleicher Höhe: 0,23 +0,8 = 1.4 = 0,13 +1,1


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -28 38 1,7 ) +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 (-1|8|0,5) . Nach 3min ist es im Punkt B (-7|20|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?

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Das Flugzeug F2 legt in 3min den Vektor AB = ( -6 12 1.5 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( -6 12 1.5 ) = ( -2 4 0.5 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -1 8 0.5 ) +t ( -2 4 0.5 ) 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.

( -28 38 1.7 ) +s ( 7 -6 0.3 ) = ( -1 8 0.5 ) +t ( -2 4 0.5 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-28+7s= -1-2t38-6s= 8+4t

7s +2t = 27 (I) -6s -4t = -30 (II)
7s +2t = 27 (I) -6s -4t = -30 (II)

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

7s 2t = 27 (I) ( 42 -42 )s +( 12 -28 )t = ( 162 -210 ) (II)
7s +2t = 27 (I) -16t = -48 (II)
Zeile (II): -16t = -48

t = 3

eingesetzt in Zeile (I):

7s +2·(3 ) = 27 | -6
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 ( -28 38 1.7 ) +3 ( 7 -6 0.3 ) = ( -7 20 2.6 ) , während das Flugzeug F2 nach 3min bei ( -1 8 0.5 ) +3 ( -2 4 0.5 ) = ( -7 20 2 ) ist.

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

2.6 - 2 = 0.6 km

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-20|40|10) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (20|-40|20) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 90m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( 40 -80 10 ) zurück.

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

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 10m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 10 auf 90m (also 80m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 80 10 s = 8s lang steigen (bzw. sinken).

Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|10|20) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (20|-30|60) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 11min?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 1min den Vektor AB = ( 70 -40 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -50 10 20 ) +t ( 70 -40 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 11 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -50 10 20 ) +11 ( 70 -40 40 ) = ( 720 -430 460 ) , also im Punkt P(720|-430|460).