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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|-50|20) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (-160|-140|80) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 9min?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor AB = ( -180 -90 60 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( -180 -90 60 ) = ( -60 -30 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 20 -50 20 ) +t ( -60 -30 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 9 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 20 -50 20 ) +9 ( -60 -30 20 ) = ( -520 -320 200 ) , also im Punkt P(-520|-320|200).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-100|200|200) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (100|0|300) angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 3s geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( 200 -200 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -100 200 200 ) +t ( 200 -200 100 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 3 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -100 200 200 ) +3 ( 200 -200 100 ) = ( 500 -400 500 ) , also im Punkt P(500|-400|500).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-100|200|200) nach P(500|-400|500) 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 Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|-30|40) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (-130|-110|80) angelangt.
Wie groß ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( -80 -80 40 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-80) 2 + (-80)2 + 40 2 = 14400 = 120.
Die Geschwindigkeit ist also v=120 m s = 432 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|-30|10) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-170|90|70) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 490m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( -120 120 60 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( -120 120 60 ) = ( -60 60 30 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -50 -30 10 ) +t ( -60 60 30 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 30m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 10 auf 490m (also 480m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 480 30 s = 16s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (250|-250|50) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1080km/h in Richtung des Punktes B (-1350|-1850|850) (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= 1080000 m 3600 s = 300 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -1600 -1600 800 ) ist (-1600) 2 + (-1600)2 + 800 2 = 5760000 = 2400 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 300 m s . braucht er für diese Strecke 2400 300 s = 8s.
Punkt B wird als nach 8s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (6|15|0) (alle Angaben in Meter). Nach 4min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (78|87|-36) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 2,7 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 4 min den Vektor AB = ( 72 72 -36 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( 72 72 -36 ) = ( 18 18 -9 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 6 15 0 ) +t ( 18 18 -9 ) 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 = 18 2 + 182 + (-9) 2 = 729 = 27.
Die Geschwindigkeit ist also v=27 m min
Für die Strecke von 2.7 km braucht es also 2700 27 min = 100min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 6 15 0 ) +100 ( 18 18 -9 ) = ( 1806 1815 -900 ) , also im Punkt P(1806|1815|-900).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -900 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 9 -3 1 ) +t ( -1 4 -3 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (11|-1|12) . Nach 1s ist sie im Punkt B (9|3|9) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 5s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 1s den Vektor AB = ( -2 4 -3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 11 -1 12 ) +t ( -2 4 -3 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 5s an der Stelle P1 ( 9 -3 1 ) +5 ( -1 4 -3 ) = ( 4 17 -14 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 11 -1 12 ) +5 ( -2 4 -3 ) = ( 1 19 -3 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(4|17|-14) und P2(1|19|-3):
P1P2 = ( 1-4 19-17 -3-( - 14 ) ) = ( -3 2 11 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -3 2 11 ) | = (-3) 2 + 22 + 11 2 = 134 ≈ 11.57583690279

Der Abstand ist also ca. 11.58 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (23|-36|0) . Nach 5s ist sie im Punkt B (28|-36|1) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -5 -6 1 ) +t ( 7 -6 0,1 ) . (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 5s den Vektor AB = ( 5 0 1 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 5 ( 5 0 1 ) = ( 1 0 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 23 -36 0 ) +t ( 1 0 0.2 ) 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 = 0,2t +0
0,1t +1 = 0,2t | -1 -0,2t
-0,1t = -1 |:(-0,1 )
t = 10

nach 10 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,110 +1 = 2 = 0,210 +0


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 3 1 0,5 ) +t ( 9 -8 0,5 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (57|10|1,4) . Nach 1h ist er im Punkt B (60|1|1,8) angelangt. Bei beiden soll angenommen werden, dass sie sich mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn fortbewegen.
Die Partyheißluftballone sprühen einen pinken Farbstoff aus, so dass ihre Flugbahn noch einige Zeit später zu erkennen ist. Ein Beobachter steht direkt senkrecht unter dem scheinbaren Schnittpunkt der beiden Flugbahnen der Ballone. Wie hoch ist an dieser Stelle der Höhenunterschied der beiden Flugbahnen tatsächlich?

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Der Heißluftballon F2 legt in 1h den Vektor AB = ( 3 -9 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 57 10 1.4 ) +t ( 3 -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.

( 3 1 0.5 ) +s ( 9 -8 0.5 ) = ( 57 10 1.4 ) +t ( 3 -9 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

3+9s= 57+3t1-8s= 10-9t

9s -3t = 54 (I) -8s +9t = 9 (II)
9s -3t = 54 (I) -8s +9t = 9 (II)

langsame Rechnung einblenden8·(I) + 9·(II)

9s -3t = 54 (I) ( 72 -72 )s +( -24 +81 )t = ( 432 +81 ) (II)
9s -3t = 54 (I) +57t = 513 (II)
Zeile (II): +57t = 513

t = 9

eingesetzt in Zeile (I):

9s -3·(9 ) = 54 | +27
9 s = 81 | : 9

s = 9

L={(9 |9 )}

Das heißt also, dass der Heißluftballon F1 nach 9h und der Heißluftballon F2 nach 9h an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

der Heißluftballon F1 ist also nach 9h bei ( 3 1 0.5 ) +9 ( 9 -8 0.5 ) = ( 84 -71 5 ) , während der Heißluftballon F2 nach 9h bei ( 57 10 1.4 ) +9 ( 3 -9 0.4 ) = ( 84 -71 5 ) ist.

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

5 - 5 = 0 km

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|0|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (50|-80|40) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 4s seit seinem Start zurückgelegt?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -30 0 0 ) +t ( 40 -40 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 4 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -30 0 0 ) +4 ( 40 -40 20 ) = ( 130 -160 80 ) , also im Punkt P(130|-160|80).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-30|0|0) nach P(130|-160|80) bewegt, also um den Vektor AP = ( 160 -160 80 ) . Dessen Länge ist 160 2 + (-160)2 + 80 2 = 57600 = 240m.

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (150|-50|150) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (850|-650|750) angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 7s geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( 700 -600 600 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 700 -600 600 ) = ( 350 -300 300 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 150 -50 150 ) +t ( 350 -300 300 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 7 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 150 -50 150 ) +7 ( 350 -300 300 ) = ( 2600 -2150 2250 ) , also im Punkt P(2600|-2150|2250).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(150|-50|150) nach P(2600|-2150|2250) bewegt, also um den Vektor AP = ( 2450 -2100 2100 ) . Dessen Länge ist 2450 2 + (-2100)2 + 2100 2 = 14822500 = 3850m.