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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|-50|50) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-240|130|230) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 7s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( -210 180 180 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -210 180 180 ) = ( -70 60 60 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -30 -50 50 ) +t ( -70 60 60 ) 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 = ( -30 -50 50 ) +7 ( -70 60 60 ) = ( -520 370 470 ) , also im Punkt P(-520|370|470).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-20|10|50) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (190|-170|230) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 4min geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor AB = ( 210 -180 180 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( 210 -180 180 ) = ( 70 -60 60 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -20 10 50 ) +t ( 70 -60 60 ) 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
OP = ( -20 10 50 ) +4 ( 70 -60 60 ) = ( 260 -230 290 ) , also im Punkt P(260|-230|290).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-20|10|50) nach P(260|-230|290) bewegt, also um den Vektor AP = ( 280 -240 240 ) . Dessen Länge ist 280 2 + (-240)2 + 240 2 = 193600 = 440m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|20|10) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (-10|-20|30) angelangt.
Wie groß ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( -40 -40 20 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-40) 2 + (-40)2 + 20 2 = 3600 = 60.
Die Geschwindigkeit ist also v=60 m s = 216 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-200|100|150) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (1200|-1100|1350) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 7350m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB = ( 1400 -1200 1200 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( 1400 -1200 1200 ) = ( 350 -300 300 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -200 100 150 ) +t ( 350 -300 300 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 300m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 150 auf 7350m (also 7200m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 7200 300 s = 24s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|50|40) und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 396km/h in Richtung des Punktes B (170|-70|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= 396000 m 3600 s = 110 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( 140 -120 120 ) ist 140 2 + (-120)2 + 120 2 = 48400 = 220 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 110 m s . braucht er für diese Strecke 220 110 s = 2s.
Punkt B wird als nach 2s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-6|-3|0) (alle Angaben in Meter). Nach 1min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (-18|-24|-12) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 3,78 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 1 min den Vektor AB = ( -12 -21 -12 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -6 -3 0 ) +t ( -12 -21 -12 ) 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 = (-12) 2 + (-21)2 + (-12) 2 = 729 = 27.
Die Geschwindigkeit ist also v=27 m min
Für die Strecke von 3.78 km braucht es also 3780 27 min = 140min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -6 -3 0 ) +140 ( -12 -21 -12 ) = ( -1686 -2943 -1680 ) , also im Punkt P(-1686|-2943|-1680).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -1680 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 2 0 -2 ) +t ( 0 5 -40 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|-4|79) . Nach 2s ist sie im Punkt B (6|8|-1) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 3s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 2s den Vektor AB = ( -4 12 -80 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( -4 12 -80 ) = ( -2 6 -40 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 10 -4 79 ) +t ( -2 6 -40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 3s an der Stelle P1 ( 2 0 -2 ) +3 ( 0 5 -40 ) = ( 2 15 -122 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 10 -4 79 ) +3 ( -2 6 -40 ) = ( 4 14 -41 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(2|15|-122) und P2(4|14|-41):
P1P2 = ( 4-2 14-15 -41-( - 122 ) ) = ( 2 -1 81 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 2 -1 81 ) | = 2 2 + (-1)2 + 81 2 = 6566 ≈ 81.030858319532

Der Abstand ist also ca. 81.03 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (3|79|2,3) . Nach 4s ist sie im Punkt B (-5|39|3,5) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -5 -5 0,5 ) +t ( -4 2 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 4s den Vektor AB = ( -8 -40 1.2 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( -8 -40 1.2 ) = ( -2 -10 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 3 79 2.3 ) +t ( -2 -10 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:

0,5t +0,5 = 0,3t +2,3 | -0,5 -0,3t
0,2t = 1,8 |:0,2
t = 9

nach 9 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,59 +0,5 = 5 = 0,39 +2,3


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -1 4 0,9 ) +t ( 9 3 0,1 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (53|28|0,1) . Nach 5min ist es im Punkt B (8|3|1,1) 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 5min den Vektor AB = ( -45 -25 1 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 5 ( -45 -25 1 ) = ( -9 -5 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 53 28 0.1 ) +t ( -9 -5 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.

( -1 4 0.9 ) +s ( 9 3 0.1 ) = ( 53 28 0.1 ) +t ( -9 -5 0.2 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-1+9s= 53-9t4+3s= 28-5t

9s +9t = 54 (I) 3s +5t = 24 (II)
9s +9t = 54 (I) 3s +5t = 24 (II)

langsame Rechnung einblenden1·(I) -3·(II)

9s 9t = 54 (I) ( 9 -9 )s +( 9 -15 )t = ( 54 -72 ) (II)
9s +9t = 54 (I) -6t = -18 (II)
Zeile (II): -6t = -18

t = 3

eingesetzt in Zeile (I):

9s +9·(3 ) = 54 | -27
9 s = 27 | : 9

s = 3

L={(3 |3 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 3min und das Flugzeug F2 nach 3min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 3min bei ( -1 4 0.9 ) +3 ( 9 3 0.1 ) = ( 26 13 1.2 ) , während das Flugzeug F2 nach 3min bei ( 53 28 0.1 ) +3 ( -9 -5 0.2 ) = ( 26 13 0.7 ) ist.

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

1.2 - 0.7 = 0.5 km

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (250|0|200) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (-150|400|400) angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 7s geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( -400 400 200 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 250 0 200 ) +t ( -400 400 200 ) 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 = ( 250 0 200 ) +7 ( -400 400 200 ) = ( -2550 2800 1600 ) , also im Punkt P(-2550|2800|1600).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(250|0|200) nach P(-2550|2800|1600) bewegt, also um den Vektor AP = ( -2800 2800 1400 ) . Dessen Länge ist (-2800) 2 + 28002 + 1400 2 = 17640000 = 4200m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-250|50|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-50|250|100) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( 200 200 100 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 200 200 100 ) = ( 100 100 50 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 100 2 + 1002 + 50 2 = 22500 = 150.
Die Geschwindigkeit ist also v=150 m s = 540 km h