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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|-40|50) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-210|80|170) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 9s?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 0 -40 50 ) +t⋅ ( -70 40 40 ) 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 -40 50 ) +9⋅ ( -70 40 40 ) = ( -630 320 410 ) , also im Punkt P(-630|320|410).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-250|150|250) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (50|-150|400) angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 6s geflogen?

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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.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( -250 150 250 ) +t⋅ ( 100 -100 50 ) 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 → = ( -250 150 250 ) +6⋅ ( 100 -100 50 ) = ( 350 -450 550 ) , also im Punkt P(350|-450|550).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-250|150|250) nach P(350|-450|550) bewegt, also um den Vektor AP → = ( 600 -600 300 ) . Dessen Länge ist 600 2 + (-600)2 + 300 2 = 810000 = 900m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|40|50) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (130|-20|70) angelangt.
Gib die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h an?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1min den Vektor AB → = ( 90 -60 20 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 90 2 + (-60)2 + 20 2 = 12100 = 110.
Die Geschwindigkeit ist also v=110 m min = 6.6 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|30|0) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (110|110|40) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 280m erreicht?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 30 30 0 ) +t⋅ ( 80 80 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 40m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 0 auf 280m (also 280m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 280 40 s = 7s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|200|250) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1620km/h in Richtung des Punktes B (750|600|350) (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt sie im Punkt B an?

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Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 1620000 m 3600 s = 450 m s .
Die Länge des Vektors AB → = ( 800 400 100 ) ist 800 2 + 4002 + 100 2 = 810000 = 900 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 450 m s . braucht er für diese Strecke 900 450 s = 2s.
Punkt B wird als nach 2s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (12|30|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 (84|-96|72) 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 → = ( 72 -126 72 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( 72 -126 72 ) = ( 24 -42 24 ) zurück.
Die Geradengleichung x → = ( 12 30 0 ) +t⋅ ( 24 -42 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 = 24 2 + (-42)2 + 24 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 → = ( 12 30 0 ) +200⋅ ( 24 -42 24 ) = ( 4812 -8370 4800 ) , also im Punkt P(4812|-8370|4800).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 4800 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( -4 -2 -2 ) +t⋅ ( -2 -30 11 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (11|90|-32) . Nach 5s ist sie im Punkt B (-9|-60|28) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 5s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 5s den Vektor AB → = ( -20 -150 60 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 5 ⋅ ( -20 -150 60 ) = ( -4 -30 12 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 11 90 -32 ) +t⋅ ( -4 -30 12 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 5s an der Stelle P1 ( -4 -2 -2 ) +5⋅ ( -2 -30 11 ) = ( -14 -152 53 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 11 90 -32 ) +5⋅ ( -4 -30 12 ) = ( -9 -60 28 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-14|-152|53) und P2(-9|-60|28):
P1P2 → = ( -9-( - 14 ) -60-( - 152 ) 28-53 ) = ( 5 92 -25 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 → | = | ( 5 92 -25 ) | = 5 2 + 922 + (-25) 2 = 9114 ≈ 95.467271878901

Der Abstand ist also ca. 95.47 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( 3 -9 1 ) +t⋅ ( 6 -3 0,1 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (7|-79|0) . Nach 2h ist er im Punkt B (9|-63|0,6) 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 2h den Vektor AB → = ( 2 16 0.6 ) zurück.
In 1h legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( 2 16 0.6 ) = ( 1 8 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 7 -79 0 ) +t⋅ ( 1 8 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:

0,1t +1 = 0,3t +0
0,1t +1 = 0,3t | -1 -0,3t
-0,2t = -1 |:(-0,2 )
t = 5

nach 5 h sind also beide auf gleicher Höhe: 0,1⋅5 +1 = 1.5 = 0,3⋅5 +0


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( 19 58 2,6 ) +t⋅ ( -2 -9 0,2 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (5|4|0,6) . Nach 4min ist es im Punkt B (5|-32|2,2) 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 4min den Vektor AB → = ( 0 -36 1.6 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ⋅ ( 0 -36 1.6 ) = ( 0 -9 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 5 4 0.6 ) +t⋅ ( 0 -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.

( 19 58 2.6 ) +s⋅ ( -2 -9 0.2 ) = ( 5 4 0.6 ) +t⋅ ( 0 -9 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

19-2s= 5+0t58-9s= 4-9t

-2s = -14 (I) -9s +9t = -54 (II)
-2s = -14 (I) -9s +9t = -54 (II)

langsame Rechnung einblenden9·(I) -2·(II)

-2s = -14 (I) ( -18 +18 )s +(0 -18 )t = ( -126 +108 ) (II)
-2s = -14 (I) -18t = -18 (II)
Zeile (II): -18t = -18

t = 1

eingesetzt in Zeile (I):

-2s = -14

s = 7

L={(7 |1 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 7min und das Flugzeug F2 nach 1min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 7min bei ( 19 58 2.6 ) +7⋅ ( -2 -9 0.2 ) = ( 5 -5 4 ) , während das Flugzeug F2 nach 1min bei ( 5 4 0.6 ) +1⋅ ( 0 -9 0.4 ) = ( 5 -5 1 ) ist.

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

4 - 1 = 3 km

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|-200|250) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-1550|1400|1050) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 9050m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB → = ( -1600 1600 800 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ⋅ ( -1600 1600 800 ) = ( -400 400 200 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 50 -200 250 ) +t⋅ ( -400 400 200 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 200m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 250 auf 9050m (also 8800m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 8800 200 s = 44s lang steigen (bzw. sinken).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-40|-40|0) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (-250|80|120) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 7min geflogen?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( -40 -40 0 ) +t⋅ ( -70 40 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 7 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP → = ( -40 -40 0 ) +7⋅ ( -70 40 40 ) = ( -530 240 280 ) , also im Punkt P(-530|240|280).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-40|-40|0) nach P(-530|240|280) bewegt, also um den Vektor AP → = ( -490 280 280 ) . Dessen Länge ist (-490) 2 + 2802 + 280 2 = 396900 = 630m.