Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|10|50) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (230|290|290) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 12s?

Lösung einblenden

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -10 10 50 ) +t ( 60 70 60 ) 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 = ( -10 10 50 ) +12 ( 60 70 60 ) = ( 710 850 770 ) , also im Punkt P(710|850|770).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|50|40) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (150|-30|60) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 5s seit seinem Start zurückgelegt?

Lösung einblenden

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -10 50 40 ) +t ( 80 -40 10 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 5 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -10 50 40 ) +5 ( 80 -40 10 ) = ( 390 -150 90 ) , also im Punkt P(390|-150|90).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-10|50|40) nach P(390|-150|90) bewegt, also um den Vektor AP = ( 400 -200 50 ) . Dessen Länge ist 400 2 + (-200)2 + 50 2 = 202500 = 450m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (100|100|100) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (400|-200|250) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( 300 -300 150 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 300 -300 150 ) = ( 100 -100 50 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 100 2 + (-100)2 + 50 2 = 22500 = 150.
Die Geschwindigkeit ist also v=150 m s = 540 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|50|30) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (-20|90|50) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 210m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( -40 40 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 20 50 30 ) +t ( -40 40 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 20m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 30 auf 210m (also 180m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 180 20 s = 9s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|-20|10) und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 324km/h in Richtung des Punktes B (-280|280|160) (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt es im Punkt B an?

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Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 324000 m 3600 s = 90 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -300 300 150 ) ist (-300) 2 + 3002 + 150 2 = 202500 = 450 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 90 m s . braucht er für diese Strecke 450 90 s = 5s.
Punkt B wird als nach 5s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-6|6|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|-102|54) angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 10,8 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3 min den Vektor AB = ( -108 -108 54 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( -108 -108 54 ) = ( -36 -36 18 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -6 6 0 ) +t ( -36 -36 18 ) 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 = (-36) 2 + (-36)2 + 18 2 = 2916 = 54.
Die Geschwindigkeit ist also v=54 m min
Für die Strecke von 10.8 km braucht es also 10800 54 min = 200min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -6 6 0 ) +200 ( -36 -36 18 ) = ( -7206 -7194 3600 ) , also im Punkt P(-7206|-7194|3600).

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

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 6 7 -2 ) +t ( -1 8 -13 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|6|16) . Nach 2s ist sie im Punkt B (10|22|-12) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 4s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 2s den Vektor AB = ( 0 16 -28 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 0 16 -28 ) = ( 0 8 -14 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 10 6 16 ) +t ( 0 8 -14 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 4s an der Stelle P1 ( 6 7 -2 ) +4 ( -1 8 -13 ) = ( 2 39 -54 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 10 6 16 ) +4 ( 0 8 -14 ) = ( 10 38 -40 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(2|39|-54) und P2(10|38|-40):
P1P2 = ( 10-2 38-39 -40-( - 54 ) ) = ( 8 -1 14 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 8 -1 14 ) | = 8 2 + (-1)2 + 14 2 = 261 ≈ 16.155494421404

Der Abstand ist also ca. 16.16 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (4|21|0,4) . Nach 4s ist sie im Punkt B (-36|49|1,6) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 2 -4 0,8 ) +t ( -8 10 0,2 ) . (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 4s den Vektor AB = ( -40 28 1.2 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( -40 28 1.2 ) = ( -10 7 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 4 21 0.4 ) +t ( -10 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:

0,2t +0,8 = 0,3t +0,4 | -0,8 -0,3t
-0,1t = -0,4 |:(-0,1 )
t = 4

nach 4 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,24 +0,8 = 1.6 = 0,34 +0,4


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (56|32|0,1) . Nach 2s ist sie im Punkt B (40|40|0,5) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -10 8 0,9 ) +t ( 7 6 0,1 ) . (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 2s den Vektor AB = ( -16 8 0.4 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( -16 8 0.4 ) = ( -8 4 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 56 32 0.1 ) +t ( -8 4 0.2 ) 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.

( -10 8 0.9 ) +s ( 7 6 0.1 ) = ( 56 32 0.1 ) +t ( -8 4 0.2 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-10+7s= 56-8t8+6s= 32+4t

7s +8t = 66 (I) 6s -4t = 24 (II)
7s +8t = 66 (I) 6s -4t = 24 (II)

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

7s 8t = 66 (I) ( 42 -42 )s +( 48 +28 )t = ( 396 -168 ) (II)
7s +8t = 66 (I) +76t = 228 (II)
Zeile (II): +76t = 228

t = 3

eingesetzt in Zeile (I):

7s +8·(3 ) = 66 | -24
7 s = 42 | : 7

s = 6

L={(6 |3 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 6s und die Seilbahngondel nach 3s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 6s bei ( -10 8 0.9 ) +6 ( 7 6 0.1 ) = ( 32 44 1.5 ) , während die Seilbahngondel nach 3s bei ( 56 32 0.1 ) +3 ( -8 4 0.2 ) = ( 32 44 0.7 ) ist.

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

1.5 - 0.7 = 0.8 m

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|50|50) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (160|-160|170) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 6s seit seinem Start zurückgelegt?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( 120 -210 120 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 120 -210 120 ) = ( 40 -70 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 40 50 50 ) +t ( 40 -70 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 6 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 40 50 50 ) +6 ( 40 -70 40 ) = ( 280 -370 290 ) , also im Punkt P(280|-370|290).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(40|50|50) nach P(280|-370|290) bewegt, also um den Vektor AP = ( 240 -420 240 ) . Dessen Länge ist 240 2 + (-420)2 + 240 2 = 291600 = 540m.

Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|40|20) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (70|-170|140) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 8s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( 120 -210 120 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 120 -210 120 ) = ( 40 -70 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -50 40 20 ) +t ( 40 -70 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 8 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -50 40 20 ) +8 ( 40 -70 40 ) = ( 270 -520 340 ) , also im Punkt P(270|-520|340).