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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|100|150) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-400|500|350) angelangt.
Wo ist die Rakete nach 12s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB → = ( -400 400 200 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( -400 400 200 ) = ( -200 200 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 0 100 150 ) +t⋅ ( -200 200 100 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 12 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP → = ( 0 100 150 ) +12⋅ ( -200 200 100 ) = ( -2400 2500 1350 ) , also im Punkt P(-2400|2500|1350).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|50|30) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-270|-70|110) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 9s seit seinem Start zurückgelegt?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB → = ( -240 -120 80 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ⋅ ( -240 -120 80 ) = ( -60 -30 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( -30 50 30 ) +t⋅ ( -60 -30 20 ) 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 → = ( -30 50 30 ) +9⋅ ( -60 -30 20 ) = ( -570 -220 210 ) , also im Punkt P(-570|-220|210).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-30|50|30) nach P(-570|-220|210) bewegt, also um den Vektor AP → = ( -540 -270 180 ) . Dessen Länge ist (-540) 2 + (-270)2 + 180 2 = 396900 = 630m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|-250|250) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-300|50|400) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

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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. Dieser Vektor hat die Länge = (-100) 2 + 1002 + 50 2 = 22500 = 150.
Die Geschwindigkeit ist also v=150 m s = 540 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-40|-10|20) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (30|-70|80) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 560m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB → = ( 70 -60 60 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( -40 -10 20 ) +t⋅ ( 70 -60 60 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 60m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 20 auf 560m (also 540m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 540 60 s = 9s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-1|0|654) in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 32,4km/h in Richtung des Punktes B (-49|-48|630) (alle Koordinatenangaben in Meter). Ihre Bewegungsbahn soll als geradlinig angenommen werden.
Wann kommt die Seilbahngondel im Punkt B an?

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Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 32400 m 3600 s = 9 m s .
Die Länge des Vektors AB → = ( -48 -48 -24 ) ist (-48) 2 + (-48)2 + (-24) 2 = 5184 = 72 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 9 m s . braucht er für diese Strecke 72 9 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|-12|0) (alle Angaben in Meter). Nach 3min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (-24|-30|-9) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 1,98 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 3 min den Vektor AB → = ( -18 -18 -9 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( -18 -18 -9 ) = ( -6 -6 -3 ) zurück.
Die Geradengleichung x → = ( -6 -12 0 ) +t⋅ ( -6 -6 -3 ) 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 = (-6) 2 + (-6)2 + (-3) 2 = 81 = 9.
Die Geschwindigkeit ist also v=9 m min
Für die Strecke von 1.98 km braucht es also 1980 9 min = 220min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP → = ( -6 -12 0 ) +220⋅ ( -6 -6 -3 ) = ( -1326 -1332 -660 ) , also im Punkt P(-1326|-1332|-660).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -660 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( -3 -4 0 ) +t⋅ ( -1 -27 16 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (1|56|-25) . Nach 1s ist sie im Punkt B (1|28|-9) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 1s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 1s den Vektor AB → = ( 0 -28 16 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 1 56 -25 ) +t⋅ ( 0 -28 16 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 1s an der Stelle P1 ( -3 -4 0 ) +1⋅ ( -1 -27 16 ) = ( -4 -31 16 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 1 56 -25 ) +1⋅ ( 0 -28 16 ) = ( 1 28 -9 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-4|-31|16) und P2(1|28|-9):
P1P2 → = ( 1-( - 4 ) 28-( - 31 ) -9-16 ) = ( 5 59 -25 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 → | = | ( 5 59 -25 ) | = 5 2 + 592 + (-25) 2 = 4131 ≈ 64.272855856886

Der Abstand ist also ca. 64.27 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (15|-3|1,1) . Nach 1s ist sie im Punkt B (20|4|1,4) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( 9 5 0,6 ) +t⋅ ( 8 3 0,4 ) . (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 1s den Vektor AB → = ( 5 7 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 15 -3 1.1 ) +t⋅ ( 5 7 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 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,4⋅5 +0,6 = 2.6 = 0,3⋅5 +1,1


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( -13 17 2,5 ) +t⋅ ( 4 6 0,1 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-6|-5|0,7) . Nach 2min ist es im Punkt B (-4|11|1,3) 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 2min den Vektor AB → = ( 2 16 0.6 ) zurück.
In 1min 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 → = ( -6 -5 0.7 ) +t⋅ ( 1 8 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.

( -13 17 2.5 ) +s⋅ ( 4 6 0.1 ) = ( -6 -5 0.7 ) +t⋅ ( 1 8 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-13+4s= -6+1t17+6s= -5+8t

4s -1t = 7 (I) 6s -8t = -22 (II)
4s -1t = 7 (I) 6s -8t = -22 (II)

langsame Rechnung einblenden3·(I) -2·(II)

4s -1t = 7 (I) ( 12 -12 )s +( -3 +16 )t = ( 21 +44 ) (II)
4s -1t = 7 (I) +13t = 65 (II)
Zeile (II): +13t = 65

t = 5

eingesetzt in Zeile (I):

4s -1(5 ) = 7 | +5
4 s = 12 | : 4

s = 3

L={(3 |5 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 3min und das Flugzeug F2 nach 5min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 3min bei ( -13 17 2.5 ) +3⋅ ( 4 6 0.1 ) = ( -1 35 2.8 ) , während das Flugzeug F2 nach 5min bei ( -6 -5 0.7 ) +5⋅ ( 1 8 0.3 ) = ( -1 35 2.2 ) ist.

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

2.8 - 2.2 = 0.6 km

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( 9 3 -1 ) +t⋅ ( -10 -2 11 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (25|10|-7) . Nach 2min ist es im Punkt B (5|2|17) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 2min von einander entfernt?

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F2 legt in 2min den Vektor AB → = ( -20 -8 24 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( -20 -8 24 ) = ( -10 -4 12 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 25 10 -7 ) +t⋅ ( -10 -4 12 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 2min an der Stelle P1 ( 9 3 -1 ) +2⋅ ( -10 -2 11 ) = ( -11 -1 21 ) ; F2 an der Stelle P2 ( 25 10 -7 ) +2⋅ ( -10 -4 12 ) = ( 5 2 17 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-11|-1|21) und P2(5|2|17):
P1P2 → = ( 5-( - 11 ) 2-( - 1 ) 17-21 ) = ( 16 3 -4 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 → | = | ( 16 3 -4 ) | = 16 2 + 32 + (-4) 2 = 281 ≈ 16.76305461424

Der Abstand ist also ca. 16.76 km.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( -6 1 0,5 ) +t⋅ ( 2 -6 0,5 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-28|-77|1,2) . Nach 1min ist es im Punkt B (-23|-68|1,6) angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?

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Das Flugzeug F2 legt in 1min den Vektor AB → = ( 5 9 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( -28 -77 1.2 ) +t⋅ ( 5 9 0.4 ) 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 = 0,4t +1,2 | -0,5 -0,4t
0,1t = 0,7 |:0,1
t = 7

nach 7 min sind also beide auf gleicher Höhe: 0,5⋅7 +0,5 = 4 = 0,4⋅7 +1,2