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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|-50|20) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-90|30|100) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 11s?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 50 -50 20 ) +t⋅ ( -70 40 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 11 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP → = ( 50 -50 20 ) +11⋅ ( -70 40 40 ) = ( -720 390 460 ) , also im Punkt P(-720|390|460).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (250|50|250) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-450|450|650) angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 10s geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB → = ( -700 400 400 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( -700 400 400 ) = ( -350 200 200 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 250 50 250 ) +t⋅ ( -350 200 200 ) 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 → = ( 250 50 250 ) +10⋅ ( -350 200 200 ) = ( -3250 2050 2250 ) , also im Punkt P(-3250|2050|2250).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(250|50|250) nach P(-3250|2050|2250) bewegt, also um den Vektor AP → = ( -3500 2000 2000 ) . Dessen Länge ist (-3500) 2 + 20002 + 2000 2 = 20250000 = 4500m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-100|200|200) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (1300|-1000|1400) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

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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. Dieser Vektor hat die Länge = 350 2 + (-300)2 + 300 2 = 302500 = 550.
Die Geschwindigkeit ist also v=550 m s = 1980 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|-30|50) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (-60|150|110) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 770m erreicht?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 30 -30 50 ) +t⋅ ( -30 60 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 20m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 50 auf 770m (also 720m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 720 20 min = 36min lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|20|10) und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 396km/h in Richtung des Punktes B (600|-520|550) (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 → = ( 630 -540 540 ) ist 630 2 + (-540)2 + 540 2 = 980100 = 990 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 110 m s . braucht er für diese Strecke 990 110 s = 9s.
Punkt B wird als nach 9s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-24|-24|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 (-96|102|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 → = ( -24 -24 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 + 422 + 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 → = ( -24 -24 0 ) +200⋅ ( -24 42 24 ) = ( -4824 8376 4800 ) , also im Punkt P(-4824|8376|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 → = ( -1 2 -1 ) +t⋅ ( -2 11 -10 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (6|-4|15) . Nach 1s ist sie im Punkt B (2|8|5) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 2s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 1s den Vektor AB → = ( -4 12 -10 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 6 -4 15 ) +t⋅ ( -4 12 -10 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 2s an der Stelle P1 ( -1 2 -1 ) +2⋅ ( -2 11 -10 ) = ( -5 24 -21 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 6 -4 15 ) +2⋅ ( -4 12 -10 ) = ( -2 20 -5 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-5|24|-21) und P2(-2|20|-5):
P1P2 → = ( -2-( - 5 ) 20-24 -5-( - 21 ) ) = ( 3 -4 16 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 → | = | ( 3 -4 16 ) | = 3 2 + (-4)2 + 16 2 = 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 x → = ( -10 -8 0,6 ) +t⋅ ( 3 3 0,4 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (80|-22|1,4) . Nach 3min ist es im Punkt B (53|-10|2,3) angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?

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Das Flugzeug F2 legt in 3min den Vektor AB → = ( -27 12 0.9 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( -27 12 0.9 ) = ( -9 4 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 80 -22 1.4 ) +t⋅ ( -9 4 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:

0,4t +0,6 = 0,3t +1,4 | -0,6 -0,3t
0,1t = 0,8 |:0,1
t = 8

nach 8 min sind also beide auf gleicher Höhe: 0,4⋅8 +0,6 = 3.8 = 0,3⋅8 +1,4


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( 54 30 2,1 ) +t⋅ ( -5 2 0,1 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-6|1|0,7) . Nach 4min ist es im Punkt B (10|37|1,9) 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 → = ( 16 36 1.2 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ⋅ ( 16 36 1.2 ) = ( 4 9 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( -6 1 0.7 ) +t⋅ ( 4 9 0.3 ) 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.

( 54 30 2.1 ) +s⋅ ( -5 2 0.1 ) = ( -6 1 0.7 ) +t⋅ ( 4 9 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

54-5s= -6+4t30+2s= 1+9t

-5s -4t = -60 (I) 2s -9t = -29 (II)
-5s -4t = -60 (I) 2s -9t = -29 (II)

langsame Rechnung einblenden2·(I) + 5·(II)

-5s -4t = -60 (I) ( -10 +10 )s +( -8 -45 )t = ( -120 -145 ) (II)
-5s -4t = -60 (I) -53t = -265 (II)
Zeile (II): -53t = -265

t = 5

eingesetzt in Zeile (I):

-5s -4·(5 ) = -60 | +20
-5 s = -40 | : (-5)

s = 8

L={(8 |5 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 8min und das Flugzeug F2 nach 5min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 8min bei ( 54 30 2.1 ) +8⋅ ( -5 2 0.1 ) = ( 14 46 2.9 ) , während das Flugzeug F2 nach 5min bei ( -6 1 0.7 ) +5⋅ ( 4 9 0.3 ) = ( 14 46 2.2 ) ist.

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

2.9 - 2.2 = 0.7 km

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|-20|40) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-270|220|160) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 10s seit seinem Start zurückgelegt?

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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 → = ( -30 -20 40 ) +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 → = ( -30 -20 40 ) +10⋅ ( -80 80 40 ) = ( -830 780 440 ) , also im Punkt P(-830|780|440).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-30|-20|40) nach P(-830|780|440) bewegt, also um den Vektor AP → = ( -800 800 400 ) . Dessen Länge ist (-800) 2 + 8002 + 400 2 = 1440000 = 1200m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( 4 -6 0,6 ) +t⋅ ( -4 4 0,4 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-100|82|1,1) . Nach 2min ist es im Punkt B (-80|66|1,7) angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?

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Das Flugzeug F2 legt in 2min den Vektor AB → = ( 20 -16 0.6 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( 20 -16 0.6 ) = ( 10 -8 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( -100 82 1.1 ) +t⋅ ( 10 -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:

0,4t +0,6 = 0,3t +1,1 | -0,6 -0,3t
0,1t = 0,5 |:0,1
t = 5

nach 5 min sind also beide auf gleicher Höhe: 0,4⋅5 +0,6 = 2.6 = 0,3⋅5 +1,1