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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|-40|50) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-230|-320|290) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 10s?

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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 -40 50 ) +t⋅ ( -60 -70 60 ) 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 → = ( 10 -40 50 ) +10⋅ ( -60 -70 60 ) = ( -590 -740 650 ) , also im Punkt P(-590|-740|650).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-20|-30|50) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (-200|150|140) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 10min geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor AB → = ( -180 180 90 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( -180 180 90 ) = ( -60 60 30 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( -20 -30 50 ) +t⋅ ( -60 60 30 ) 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 → = ( -20 -30 50 ) +10⋅ ( -60 60 30 ) = ( -620 570 350 ) , also im Punkt P(-620|570|350).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-20|-30|50) nach P(-620|570|350) bewegt, also um den Vektor AP → = ( -600 600 300 ) . Dessen Länge ist (-600) 2 + 6002 + 300 2 = 810000 = 900m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|0|0) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (80|-60|30) angelangt.
Wie groß ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB → = ( 60 -60 30 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 60 2 + (-60)2 + 30 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m s = 324 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|-20|40) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (-130|120|120) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 920m erreicht?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( -50 -20 40 ) +t⋅ ( -40 70 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 40m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 40 auf 920m (also 880m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 880 40 min = 22min lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-4|2|654) in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 32,4km/h in Richtung des Punktes B (8|23|642) (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 21 -12 ) ist 12 2 + 212 + (-12) 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 (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 (-12|18|24) angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 2,16 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1 min den Vektor AB → = ( -42 24 24 ) zurück.
Die Geradengleichung x → = ( 30 -6 0 ) +t⋅ ( -42 24 24 ) 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 + 242 + 24 2 = 2916 = 54.
Die Geschwindigkeit ist also v=54 m min
Für die Strecke von 2.16 km braucht es also 2160 54 min = 40min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP → = ( 30 -6 0 ) +40⋅ ( -42 24 24 ) = ( -1650 954 960 ) , also im Punkt P(-1650|954|960).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 960 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( 6 -4 -1 ) +t⋅ ( -40 5 0 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (87|-8|7) . Nach 5min ist es im Punkt B (-113|22|-3) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 2min von einander entfernt?

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F2 legt in 5min den Vektor AB → = ( -200 30 -10 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 5 ⋅ ( -200 30 -10 ) = ( -40 6 -2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 87 -8 7 ) +t⋅ ( -40 6 -2 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 2min an der Stelle P1 ( 6 -4 -1 ) +2⋅ ( -40 5 0 ) = ( -74 6 -1 ) ; F2 an der Stelle P2 ( 87 -8 7 ) +2⋅ ( -40 6 -2 ) = ( 7 4 3 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-74|6|-1) und P2(7|4|3):
P1P2 → = ( 7-( - 74 ) 4-6 3-( - 1 ) ) = ( 81 -2 4 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 → | = | ( 81 -2 4 ) | = 81 2 + (-2)2 + 4 2 = 6581 ≈ 81.123362849428

Der Abstand ist also ca. 81.12 km.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( -5 -8 0,8 ) +t⋅ ( 5 -7 0,2 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-15|-21|0) . Nach 1min ist es im Punkt B (-10|-19|0,3) angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?

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Das Flugzeug F2 legt in 1min den Vektor AB → = ( 5 2 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( -15 -21 0 ) +t⋅ ( 5 2 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
0,2t +0,8 = 0,3t | -0,8 -0,3t
-0,1t = -0,8 |:(-0,1 )
t = 8

nach 8 min sind also beide auf gleicher Höhe: 0,2⋅8 +0,8 = 2.4 = 0,3⋅8 +0


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-9|-10|1) . Nach 3s ist sie im Punkt B (-27|2|1,3) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( -48 -33 0 ) +t⋅ ( 3 5 0,3 ) . (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.

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Die Seilbahngondel legt in 3s den Vektor AB → = ( -18 12 0.3 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( -18 12 0.3 ) = ( -6 4 0.1 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( -9 -10 1 ) +t⋅ ( -6 4 0.1 ) 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.

( -48 -33 0 ) +s⋅ ( 3 5 0.3 ) = ( -9 -10 1 ) +t⋅ ( -6 4 0.1 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-48+3s= -9-6t-33+5s= -10+4t

3s +6t = 39 (I) 5s -4t = 23 (II)
3s +6t = 39 (I) 5s -4t = 23 (II)

langsame Rechnung einblenden5·(I) -3·(II)

3s 6t = 39 (I) ( 15 -15 )s +( 30 +12 )t = ( 195 -69 ) (II)
3s +6t = 39 (I) +42t = 126 (II)
Zeile (II): +42t = 126

t = 3

eingesetzt in Zeile (I):

3s +6·(3 ) = 39 | -18
3 s = 21 | : 3

s = 7

L={(7 |3 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 7s und die Seilbahngondel nach 3s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 7s bei ( -48 -33 0 ) +7⋅ ( 3 5 0.3 ) = ( -27 2 2.1 ) , während die Seilbahngondel nach 3s bei ( -9 -10 1 ) +3⋅ ( -6 4 0.1 ) = ( -27 2 1.3 ) ist.

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

2.1 - 1.3 = 0.8 m

Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|0|30) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-200|-240|150) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 10s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB → = ( -240 -240 120 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( -240 -240 120 ) = ( -80 -80 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 40 0 30 ) +t⋅ ( -80 -80 40 ) 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 → = ( 40 0 30 ) +10⋅ ( -80 -80 40 ) = ( -760 -800 430 ) , also im Punkt P(-760|-800|430).

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-48|-78|1,4) . Nach 3s ist sie im Punkt B (-69|-66|2,6) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( -9 -6 0,5 ) +t⋅ ( -10 -10 0,5 ) . (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 3s den Vektor AB → = ( -21 12 1.2 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( -21 12 1.2 ) = ( -7 4 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( -48 -78 1.4 ) +t⋅ ( -7 4 0.4 ) 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 = 0,4t +1,4 | -0,5 -0,4t
0,1t = 0,9 |:0,1
t = 9

nach 9 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,5⋅9 +0,5 = 5 = 0,4⋅9 +1,4