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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-30 | 50 | 50)$ (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B $(150 | -220 | 110)$ angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 4min?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 180 \\ -270 \\ 60 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{3}$ ⋅ $(\begin{matrix} 180 \\ -270 \\ 60 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 60 \\ -90 \\ 20 \end{matrix})$ zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -30 \\ 50 \\ 50 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 60 \\ -90 \\ 20 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 4 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
$\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} -30 \\ 50 \\ 50 \end{matrix}) + 4 \cdot (\begin{matrix} 60 \\ -90 \\ 20 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 210 \\ -310 \\ 130 \end{matrix})$ , also im Punkt P $(210 | -310 | 130)$ .

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(20 | -10 | 20)$ (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B $(140 | -130 | 80)$ angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 5s seit seinem Start zurückgelegt?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 120 \\ -120 \\ 60 \end{matrix})$ zurück.
In 1s legt es also den Vektor $\frac{1}{3}$ ⋅ $(\begin{matrix} 120 \\ -120 \\ 60 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 40 \\ -40 \\ 20 \end{matrix})$ zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 20 \\ -10 \\ 20 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 40 \\ -40 \\ 20 \end{matrix})$ 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
$\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} 20 \\ -10 \\ 20 \end{matrix}) + 5 \cdot (\begin{matrix} 40 \\ -40 \\ 20 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 220 \\ -210 \\ 120 \end{matrix})$ , also im Punkt P $(220 | -210 | 120)$ .

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A $(20 | -10 | 20)$ nach P $(220 | -210 | 120)$ bewegt, also um den Vektor $\vec{AP}$ = $(\begin{matrix} 200 \\ -200 \\ 100 \end{matrix})$ . Dessen Länge ist $\sqrt{200^{2} + {(-200)}^{2} + 100^{2}} = \sqrt{90000} = 300$ m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(30 | 20 | 30)$ (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B $(-250 | 180 | 190)$ angelangt.
Gib die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h an?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -280 \\ 160 \\ 160 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{4}$ ⋅ $(\begin{matrix} -280 \\ 160 \\ 160 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -70 \\ 40 \\ 40 \end{matrix})$ zurück. Dieser Vektor hat die Länge = $\sqrt{{(-70)}^{2} + 40^{2} + 40^{2}} = \sqrt{8100} = 90$ .
Die Geschwindigkeit ist also v=90 $\frac{m}{\min}$ = 5.4 $\frac{km}{h}$

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-20 | -20 | 20)$ (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B $(260 | 220 | 260)$ angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 2660m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 280 \\ 240 \\ 240 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{4}$ ⋅ $(\begin{matrix} 280 \\ 240 \\ 240 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 70 \\ 60 \\ 60 \end{matrix})$ zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -20 \\ -20 \\ 20 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 70 \\ 60 \\ 60 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 60m (Änderung in der x₃-Koordinate). Um von 20 auf 2660m (also 2640m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also $\frac{2640}{60}$ min = 44min lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(40 | 10 | 30)$ und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 216km/h in Richtung des Punktes B $(240 | -190 | 130)$ (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt es im Punkt B an?

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Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in $\frac{m}{s}$ um: v= $\frac{216000 m}{3600 s}$ = 60 $\frac{m}{s}$ .
Die Länge des Vektors $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 200 \\ -200 \\ 100 \end{matrix})$ ist $\sqrt{200^{2} + {(-200)}^{2} + 100^{2}} = \sqrt{90000} = 300$ m.
Bei einer Geschwindigkeit von 60 $\frac{m}{s}$ . braucht er für diese Strecke $\frac{300}{60}$ s = 5s.
Punkt B wird als nach 5s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(30 | -10 | 30)$ (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B $(310 | -170 | 190)$ angelangt.
Welche (absolute) Höhe hat das Flugzeug, wenn es 21,6 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4 s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 280 \\ -160 \\ 160 \end{matrix})$ zurück.
In 1s legt es also den Vektor $\frac{1}{4}$ ⋅ $(\begin{matrix} 280 \\ -160 \\ 160 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 70 \\ -40 \\ 40 \end{matrix})$ zurück.
Die Geradengleichung $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 30 \\ -10 \\ 30 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 70 \\ -40 \\ 40 \end{matrix})$ beschreibt also den Ortsvektor zu dem Punkt, an dem sich das Bewegungsobjekt nach t s befindet.
Dieser Richtungsvektor (der in 1 s zurückgelegt wird) hat die Länge = $\sqrt{70^{2} + {(-40)}^{2} + 40^{2}} = \sqrt{8100} = 90$ .
Die Geschwindigkeit ist also v=90 $\frac{m}{s}$
Für die Strecke von 21.6 km braucht es also $\frac{21600}{90}$ s = 240s
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
$\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} 30 \\ -10 \\ 30 \end{matrix}) + 240 \cdot (\begin{matrix} 70 \\ -40 \\ 40 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 16830 \\ -9610 \\ 9630 \end{matrix})$ , also im Punkt P $(16830 | -9610 | 9630)$ .

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x₃-Koordinate, also 9630 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 8 \\ -2 \\ 0 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -5 \\ 5 \\ 0 \end{matrix})$ . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(24 | -8 | 7)$ . Nach 1s ist sie im Punkt B $(19 | -2 | 5)$ angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 2s von einander entfernt?

Lösung einblenden

Die Seilbahngondel legt in 1s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -5 \\ 6 \\ -2 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 24 \\ -8 \\ 7 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -5 \\ 6 \\ -2 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 2s an der Stelle P₁ $(\begin{matrix} 8 \\ -2 \\ 0 \end{matrix}) + 2 \cdot (\begin{matrix} -5 \\ 5 \\ 0 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -2 \\ 8 \\ 0 \end{matrix})$ ; Die Seilbahngondel an der Stelle P₂ $(\begin{matrix} 24 \\ -8 \\ 7 \end{matrix}) + 2 \cdot (\begin{matrix} -5 \\ 6 \\ -2 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 14 \\ 4 \\ 3 \end{matrix})$ .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P₁

(-2 | 8 | 0)

und P₂

(14 | 4 | 3)

:

\vec{P_{1} P_{2}}

=

(\begin{matrix} 14 - (-2) \\ 4 - 8 \\ 3 - 0 \end{matrix})

=

(\begin{matrix} 16 \\ -4 \\ 3 \end{matrix})

Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P₁ und P₂
d=|

\vec{P_{1} P_{2}}

| =

| (\begin{matrix} 16 \\ -4 \\ 3 \end{matrix}) |

=

\sqrt{16^{2} + {(-4)}^{2} + 3^{2}}

=

\sqrt{281}

≈ 16.76305461424

Der Abstand ist also ca. 16.76 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -5 \\ 10 \\ 0,6 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 0 \\ -7 \\ 0,4 \end{matrix})$ . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-12 | -39 | 1,2)$ . Nach 3min ist es im Punkt B $(-9 | -24 | 1,8)$ angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?

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Das Flugzeug F2 legt in 3min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 3 \\ 15 \\ 0.6 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{3}$ ⋅ $(\begin{matrix} 3 \\ 15 \\ 0.6 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 1 \\ 5 \\ 0.2 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -12 \\ -39 \\ 1.2 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 1 \\ 5 \\ 0.2 \end{matrix})$ 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:

$0,4 t + 0,6$	=	$0,2 t + 1,2$	\| $- 0,6$ $- 0,2 t$
$0,2 t$	=	$0,6$	\|: $0,2$
$t$	=	$3$

nach 3 min sind also beide auf gleicher Höhe: $0,4 \cdot 3 + 0,6$ = 1.8 = $0,2 \cdot 3 + 1,2$

Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-7 | -1 | 0,6)$ . Nach 5s ist sie im Punkt B $(-27 | -41 | 2,6)$ angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -31 \\ -16 \\ 1,2 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 4 \\ -3 \\ 0,3 \end{matrix})$ . (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 5s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -20 \\ -40 \\ 2 \end{matrix})$ zurück.
In 1s legt es also den Vektor $\frac{1}{5}$ ⋅ $(\begin{matrix} -20 \\ -40 \\ 2 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -4 \\ -8 \\ 0.4 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -7 \\ -1 \\ 0.6 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -4 \\ -8 \\ 0.4 \end{matrix})$ 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.

$(\begin{matrix} -31 \\ -16 \\ 1.2 \end{matrix}) + s \cdot (\begin{matrix} 4 \\ -3 \\ 0.3 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -7 \\ -1 \\ 0.6 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -4 \\ -8 \\ 0.4 \end{matrix})$ da ja aber nur die x₁- und x₂-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

$\begin{matrix} -31 & +4 s & = & -7 & -4 t \\ -16 & -3 s & = & -1 & -8 t \end{matrix}$

\begin{matrix} 4 s & + 4 t & = & 24 & (I) \\ - 3 s & + 8 t & = & 15 & (II) \end{matrix}

\begin{matrix} 4 s & + 4 t & = & 24 & (I) \\ - 3 s & + 8 t & = & 15 & (II) \end{matrix}

langsame Rechnung einblenden $3$ ·(I) + $4$ ·(II)

\begin{matrix} 4 s & 4 t & = & 24 & (I) \\ (12 - 12) s & + (12 + 32) t & = & (72 + 60) & (II) \end{matrix}

\begin{matrix} 4 s & + 4 t & = & 24 & (I) \\ + 44 t & = & 132 & (II) \end{matrix}

Zeile (II):

\begin{matrix} + 44 t & = & 132 \end{matrix}

t = $3$

eingesetzt in Zeile (I):

\begin{matrix} 4 s & + 4 \cdot (3) & = & 24 \end{matrix}

| -

12

4

s =

12

| : 4

s = $3$

$L = {(3 | 3)}$

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

die Drohne ist also nach 3s bei $(\begin{matrix} -31 \\ -16 \\ 1.2 \end{matrix}) + 3 \cdot (\begin{matrix} 4 \\ -3 \\ 0.3 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -19 \\ -25 \\ 2.1 \end{matrix})$ , während die Seilbahngondel nach 3s bei $(\begin{matrix} -7 \\ -1 \\ 0.6 \end{matrix}) + 3 \cdot (\begin{matrix} -4 \\ -8 \\ 0.4 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -19 \\ -25 \\ 1.8 \end{matrix})$ 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 m

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(5 | 7 | -11)$ (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B $(-15 | -1 | 13)$ angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -7 \\ 2 \\ -1 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -5 \\ 0 \\ 5 \end{matrix})$ . (alle Koordinaten in m; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn).
Wie weit sind der Heißluftballon und die Drohne nach 5min von einander entfernt?

Lösung einblenden

Der Heißluftballon legt in 4min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -20 \\ -8 \\ 24 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{4}$ ⋅ $(\begin{matrix} -20 \\ -8 \\ 24 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -5 \\ -2 \\ 6 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 5 \\ 7 \\ -11 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -5 \\ -2 \\ 6 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 5min an der Stelle P₁ $(\begin{matrix} -7 \\ 2 \\ -1 \end{matrix}) + 5 \cdot (\begin{matrix} -5 \\ 0 \\ 5 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -32 \\ 2 \\ 24 \end{matrix})$ ; Der Heißluftballon an der Stelle P₂ $(\begin{matrix} 5 \\ 7 \\ -11 \end{matrix}) + 5 \cdot (\begin{matrix} -5 \\ -2 \\ 6 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -20 \\ -3 \\ 19 \end{matrix})$ .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P₁

(-32 | 2 | 24)

und P₂

(-20 | -3 | 19)

:

\vec{P_{1} P_{2}}

=

(\begin{matrix} -20 - (-32) \\ -3 - 2 \\ 19 - 24 \end{matrix})

=

(\begin{matrix} 12 \\ -5 \\ -5 \end{matrix})

Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P₁ und P₂
d=|

\vec{P_{1} P_{2}}

| =

| (\begin{matrix} 12 \\ -5 \\ -5 \end{matrix}) |

=

\sqrt{12^{2} + {(-5)}^{2} + {(-5)}^{2}}

=

\sqrt{194}

≈ 13.928388277184

Der Abstand ist also ca. 13.93 m.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(9 | 12 | 0)$ (alle Angaben in Meter). Nach 4min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B $(-63 | 84 | -36)$ angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 4,86 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 4 min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -72 \\ 72 \\ -36 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{4}$ ⋅ $(\begin{matrix} -72 \\ 72 \\ -36 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -18 \\ 18 \\ -9 \end{matrix})$ zurück.
Die Geradengleichung $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 9 \\ 12 \\ 0 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -18 \\ 18 \\ -9 \end{matrix})$ 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 = $\sqrt{{(-18)}^{2} + 18^{2} + {(-9)}^{2}} = \sqrt{729} = 27$ .
Die Geschwindigkeit ist also v=27 $\frac{m}{\min}$
Für die Strecke von 4.86 km braucht es also $\frac{4860}{27}$ min = 180min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
$\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} 9 \\ 12 \\ 0 \end{matrix}) + 180 \cdot (\begin{matrix} -18 \\ 18 \\ -9 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -3231 \\ 3252 \\ -1620 \end{matrix})$ , also im Punkt P $(-3231 | 3252 | -1620)$ .

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x₃-Koordinate, also -1620 (in m).

Aufgabentypen anhand von Beispielen durchstöbern

Ort nach t Zeiteinheiten

Strecke nach t Zeiteinheiten

Geschwindigkeit in km/h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Geschwindigkeit rückwärts

Höhe nach x Kilometern

Abstand zweier Objekte

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Höhendifferenz der Flugbahnen

Abstand zweier Objekte

Höhe nach x Kilometern