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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(20 | 40 | 30)$ (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B $(-20 | 80 | 50)$ angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 2s?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -40 \\ 40 \\ 20 \end{matrix})$ zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 20 \\ 40 \\ 30 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -40 \\ 40 \\ 20 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 2 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
$\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} 20 \\ 40 \\ 30 \end{matrix}) + 2 \cdot (\begin{matrix} -40 \\ 40 \\ 20 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -60 \\ 120 \\ 70 \end{matrix})$ , also im Punkt P $(-60 | 120 | 70)$ .

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-250 | 100 | 200)$ (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B $(950 | 1300 | 800)$ angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 10s geflogen?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 1200 \\ 1200 \\ 600 \end{matrix})$ zurück.
In 1s legt es also den Vektor $\frac{1}{4}$ ⋅ $(\begin{matrix} 1200 \\ 1200 \\ 600 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 300 \\ 300 \\ 150 \end{matrix})$ zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -250 \\ 100 \\ 200 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 300 \\ 300 \\ 150 \end{matrix})$ 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
$\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} -250 \\ 100 \\ 200 \end{matrix}) + 10 \cdot (\begin{matrix} 300 \\ 300 \\ 150 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 2750 \\ 3100 \\ 1700 \end{matrix})$ , also im Punkt P $(2750 | 3100 | 1700)$ .

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A $(-250 | 100 | 200)$ nach P $(2750 | 3100 | 1700)$ bewegt, also um den Vektor $\vec{AP}$ = $(\begin{matrix} 3000 \\ 3000 \\ 1500 \end{matrix})$ . Dessen Länge ist $\sqrt{3000^{2} + 3000^{2} + 1500^{2}} = \sqrt{20250000} = 4500$ m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(250 | 200 | 150)$ (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B $(-1150 | 1000 | 950)$ angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -1400 \\ 800 \\ 800 \end{matrix})$ zurück.
In 1s legt es also den Vektor $\frac{1}{4}$ ⋅ $(\begin{matrix} -1400 \\ 800 \\ 800 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -350 \\ 200 \\ 200 \end{matrix})$ zurück. Dieser Vektor hat die Länge = $\sqrt{{(-350)}^{2} + 200^{2} + 200^{2}} = \sqrt{202500} = 450$ .
Die Geschwindigkeit ist also v=450 $\frac{m}{s}$ = 1620 $\frac{km}{h}$

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-20 | 50 | 40)$ (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B $(-260 | 170 | 70)$ angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 280m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -240 \\ 120 \\ 30 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{3}$ ⋅ $(\begin{matrix} -240 \\ 120 \\ 30 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -80 \\ 40 \\ 10 \end{matrix})$ zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -20 \\ 50 \\ 40 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -80 \\ 40 \\ 10 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 10m (Änderung in der x₃-Koordinate). Um von 40 auf 280m (also 240m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also $\frac{240}{10}$ min = 24min lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-20 | 40 | 30)$ und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 396km/h in Richtung des Punktes B $(520 | 400 | 150)$ (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= $\frac{396000 m}{3600 s}$ = 110 $\frac{m}{s}$ .
Die Länge des Vektors $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 540 \\ 360 \\ 120 \end{matrix})$ ist $\sqrt{540^{2} + 360^{2} + 120^{2}} = \sqrt{435600} = 660$ m.
Bei einer Geschwindigkeit von 110 $\frac{m}{s}$ . braucht er für diese Strecke $\frac{660}{110}$ s = 6s.
Punkt B wird als nach 6s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(20 | -20 | 50)$ (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B $(-250 | -200 | 110)$ angelangt.
Welche (absolute) Höhe hat das Flugzeug, wenn es 17,6 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3 s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -270 \\ -180 \\ 60 \end{matrix})$ zurück.
In 1s legt es also den Vektor $\frac{1}{3}$ ⋅ $(\begin{matrix} -270 \\ -180 \\ 60 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -90 \\ -60 \\ 20 \end{matrix})$ zurück.
Die Geradengleichung $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 20 \\ -20 \\ 50 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -90 \\ -60 \\ 20 \end{matrix})$ 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 = $\sqrt{{(-90)}^{2} + {(-60)}^{2} + 20^{2}} = \sqrt{12100} = 110$ .
Die Geschwindigkeit ist also v=110 $\frac{m}{s}$
Für die Strecke von 17.6 km braucht es also $\frac{17600}{110}$ s = 160s
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
$\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} 20 \\ -20 \\ 50 \end{matrix}) + 160 \cdot (\begin{matrix} -90 \\ -60 \\ 20 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -14380 \\ -9620 \\ 3250 \end{matrix})$ , also im Punkt P $(-14380 | -9620 | 3250)$ .

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x₃-Koordinate, also 3250 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -5 \\ 10 \\ -2 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -2 \\ -30 \\ 11 \end{matrix})$ . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(2 | 42 | -8)$ . Nach 4min ist es im Punkt B $(-14 | -78 | 40)$ angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 2min von einander entfernt?

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F2 legt in 4min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -16 \\ -120 \\ 48 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{4}$ ⋅ $(\begin{matrix} -16 \\ -120 \\ 48 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -4 \\ -30 \\ 12 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 2 \\ 42 \\ -8 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -4 \\ -30 \\ 12 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 2min an der Stelle P₁ $(\begin{matrix} -5 \\ 10 \\ -2 \end{matrix}) + 2 \cdot (\begin{matrix} -2 \\ -30 \\ 11 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -9 \\ -50 \\ 20 \end{matrix})$ ; F2 an der Stelle P₂ $(\begin{matrix} 2 \\ 42 \\ -8 \end{matrix}) + 2 \cdot (\begin{matrix} -4 \\ -30 \\ 12 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -6 \\ -18 \\ 16 \end{matrix})$ .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P₁

(-9 | -50 | 20)

und P₂

(-6 | -18 | 16)

:

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

=

(\begin{matrix} -6 - (-9) \\ -18 - (-50) \\ 16 - 20 \end{matrix})

=

(\begin{matrix} 3 \\ 32 \\ -4 \end{matrix})

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

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

| =

| (\begin{matrix} 3 \\ 32 \\ -4 \end{matrix}) |

=

\sqrt{3^{2} + 32^{2} + {(-4)}^{2}}

=

\sqrt{1049}

≈ 32.388269481403

Der Abstand ist also ca. 32.39 km.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-60 | 0 | 0)$ . Nach 4s ist sie im Punkt B $(-44 | -12 | 1,2)$ angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -10 \\ 8 \\ 1,6 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -2 \\ -5 \\ 0,1 \end{matrix})$ . (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 $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 16 \\ -12 \\ 1.2 \end{matrix})$ zurück.
In 1s legt es also den Vektor $\frac{1}{4}$ ⋅ $(\begin{matrix} 16 \\ -12 \\ 1.2 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 4 \\ -3 \\ 0.3 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -60 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 4 \\ -3 \\ 0.3 \end{matrix})$ 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:

$0,1 t + 1,6$	=	$0,3 t + 0$
$0,1 t + 1,6$	=	$0,3 t$	\| $- 1,6$ $- 0,3 t$
$- 0,2 t$	=	$- 1,6$	\|:( $- 0,2$ )
$t$	=	$8$

nach 8 s sind also beide auf gleicher Höhe: $0,1 \cdot 8 + 1,6$ = 2.4 = $0,3 \cdot 8 + 0$

Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-5 | 10 | 0,8)$ . Nach 1s ist sie im Punkt B $(-14 | 2 | 1)$ angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -35 \\ 6 \\ 1,3 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 2 \\ -2 \\ 0,1 \end{matrix})$ . (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 1s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -9 \\ -8 \\ 0.2 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -5 \\ 10 \\ 0.8 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -9 \\ -8 \\ 0.2 \end{matrix})$ 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.

$(\begin{matrix} -35 \\ 6 \\ 1.3 \end{matrix}) + s \cdot (\begin{matrix} 2 \\ -2 \\ 0.1 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -5 \\ 10 \\ 0.8 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -9 \\ -8 \\ 0.2 \end{matrix})$ da ja aber nur die x₁- und x₂-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

$\begin{matrix} -35 & +2 s & = & -5 & -9 t \\ 6 & -2 s & = & 10 & -8 t \end{matrix}$

\begin{matrix} 2 s & + 9 t & = & 30 & (I) \\ - 2 s & + 8 t & = & 4 & (II) \end{matrix}

\begin{matrix} 2 s & + 9 t & = & 30 & (I) \\ - 2 s & + 8 t & = & 4 & (II) \end{matrix}

langsame Rechnung einblenden $1$ ·(I) + $1$ ·(II)

\begin{matrix} 2 s & 9 t & = & 30 & (I) \\ (2 - 2) s & + (9 + 8) t & = & (30 + 4) & (II) \end{matrix}

\begin{matrix} 2 s & + 9 t & = & 30 & (I) \\ + 17 t & = & 34 & (II) \end{matrix}

Zeile (II):

\begin{matrix} + 17 t & = & 34 \end{matrix}

t = $2$

eingesetzt in Zeile (I):

\begin{matrix} 2 s & + 9 \cdot (2) & = & 30 \end{matrix}

| -

18

2

s =

12

| : 2

s = $6$

$L = {(6 | 2)}$

Das heißt also, dass die Drohne nach 6s und die Seilbahngondel nach 2s an diesem 'x₁-x₂-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 6s bei $(\begin{matrix} -35 \\ 6 \\ 1.3 \end{matrix}) + 6 \cdot (\begin{matrix} 2 \\ -2 \\ 0.1 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -23 \\ -6 \\ 1.9 \end{matrix})$ , während die Seilbahngondel nach 2s bei $(\begin{matrix} -5 \\ 10 \\ 0.8 \end{matrix}) + 2 \cdot (\begin{matrix} -9 \\ -8 \\ 0.2 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -23 \\ -6 \\ 1.2 \end{matrix})$ ist.

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

1.9 - 1.2 = 0.7 m

Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-50 | 50 | 20)$ (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B $(90 | -30 | 100)$ angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 3min?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 140 \\ -80 \\ 80 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{2}$ ⋅ $(\begin{matrix} 140 \\ -80 \\ 80 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 70 \\ -40 \\ 40 \end{matrix})$ zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -50 \\ 50 \\ 20 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 70 \\ -40 \\ 40 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 3 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
$\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} -50 \\ 50 \\ 20 \end{matrix}) + 3 \cdot (\begin{matrix} 70 \\ -40 \\ 40 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 160 \\ -70 \\ 140 \end{matrix})$ , also im Punkt P $(160 | -70 | 140)$ .

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(100 | 50 | 250)$ (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B $(-100 | -150 | 350)$ angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -200 \\ -200 \\ 100 \end{matrix})$ zurück. Dieser Vektor hat die Länge = $\sqrt{{(-200)}^{2} + {(-200)}^{2} + 100^{2}} = \sqrt{90000} = 300$ .
Die Geschwindigkeit ist also v=300 $\frac{m}{s}$ = 1080 $\frac{km}{h}$

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

Ort nach t Zeiteinheiten

Geschwindigkeit in km/h