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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|-10|40) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (-150|-250|70) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 9min?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor AB → = ( -120 -240 30 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( -120 -240 30 ) = ( -40 -80 10 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( -30 -10 40 ) +t⋅ ( -40 -80 10 ) 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 → = ( -30 -10 40 ) +9⋅ ( -40 -80 10 ) = ( -390 -730 130 ) , also im Punkt P(-390|-730|130).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|-10|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (90|170|40) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 5s seit seinem Start zurückgelegt?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB → = ( 120 180 40 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( 120 180 40 ) = ( 60 90 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( -30 -10 0 ) +t⋅ ( 60 90 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 5 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP → = ( -30 -10 0 ) +5⋅ ( 60 90 20 ) = ( 270 440 100 ) , also im Punkt P(270|440|100).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-30|-10|0) nach P(270|440|100) bewegt, also um den Vektor AP → = ( 300 450 100 ) . Dessen Länge ist 300 2 + 4502 + 100 2 = 302500 = 550m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-150|0|50) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (50|-200|150) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB → = ( 200 -200 100 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 200 2 + (-200)2 + 100 2 = 90000 = 300.
Die Geschwindigkeit ist also v=300 m s = 1080 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|40|0) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (-40|-20|30) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 330m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB → = ( -60 -60 30 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 20 40 0 ) +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 0 auf 330m (also 330m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 330 30 s = 11s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (200|-50|0) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1620km/h in Richtung des Punktes B (1950|950|1000) (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= 1620000 m 3600 s = 450 m s .
Die Länge des Vektors AB → = ( 1750 1000 1000 ) ist 1750 2 + 10002 + 1000 2 = 5062500 = 2250 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 450 m s . braucht er für diese Strecke 2250 450 s = 5s.
Punkt B wird als nach 5s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (12|9|0) (alle Angaben in Meter). Nach 4min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (-12|-15|-12) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 2,16 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 4 min den Vektor AB → = ( -24 -24 -12 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ⋅ ( -24 -24 -12 ) = ( -6 -6 -3 ) zurück.
Die Geradengleichung x → = ( 12 9 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 2.16 km braucht es also 2160 9 min = 240min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP → = ( 12 9 0 ) +240⋅ ( -6 -6 -3 ) = ( -1428 -1431 -720 ) , also im Punkt P(-1428|-1431|-720).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -720 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( -9 10 0 ) +t⋅ ( 11 -30 -2 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-27|72|11) . Nach 2s ist sie im Punkt B (-3|12|3) 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 → = ( 24 -60 -8 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( 24 -60 -8 ) = ( 12 -30 -4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( -27 72 11 ) +t⋅ ( 12 -30 -4 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 3s an der Stelle P1 ( -9 10 0 ) +3⋅ ( 11 -30 -2 ) = ( 24 -80 -6 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( -27 72 11 ) +3⋅ ( 12 -30 -4 ) = ( 9 -18 -1 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(24|-80|-6) und P2(9|-18|-1):
P1P2 → = ( 9-24 -18-( - 80 ) -1-( - 6 ) ) = ( -15 62 5 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 → | = | ( -15 62 5 ) | = (-15) 2 + 622 + 5 2 = 4094 ≈ 63.984373092186

Der Abstand ist also ca. 63.98 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-2|32|1,5) . Nach 5s ist sie im Punkt B (3|12|3,5) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( 4 8 0,5 ) +t⋅ ( 0 0 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 5s den Vektor AB → = ( 5 -20 2 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 5 ⋅ ( 5 -20 2 ) = ( 1 -4 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( -2 32 1.5 ) +t⋅ ( 1 -4 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 +1,5 | -0,5 -0,4t
0,1t = 1 |:0,1
t = 10

nach 10 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,5⋅10 +0,5 = 5.5 = 0,4⋅10 +1,5


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|-13|0) . Nach 2s ist sie im Punkt B (-8|-33|0,6) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( -3 -7 1,2 ) +t⋅ ( -1 -4 0,1 ) . (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.

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Die Seilbahngondel legt in 2s den Vektor AB → = ( -8 -20 0.6 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( -8 -20 0.6 ) = ( -4 -10 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 0 -13 0 ) +t⋅ ( -4 -10 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.

( -3 -7 1.2 ) +s⋅ ( -1 -4 0.1 ) = ( 0 -13 0 ) +t⋅ ( -4 -10 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-3-1s= 0-4t-7-4s= -13-10t

-1s +4t = 3 (I) -4s +10t = -6 (II)
-1s +4t = 3 (I) -4s +10t = -6 (II)

langsame Rechnung einblenden4·(I) -1·(II)

-1s 4t = 3 (I) ( -4 +4 )s +( 16 -10 )t = ( 12 +6 ) (II)
-1s +4t = 3 (I) +6t = 18 (II)
Zeile (II): +6t = 18

t = 3

eingesetzt in Zeile (I):

-1s +4·(3 ) = 3 | -12
-1 s = -9 | : (-1)

s = 9

L={(9 |3 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 9s und die Seilbahngondel nach 3s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 9s bei ( -3 -7 1.2 ) +9⋅ ( -1 -4 0.1 ) = ( -12 -43 2.1 ) , während die Seilbahngondel nach 3s bei ( 0 -13 0 ) +3⋅ ( -4 -10 0.3 ) = ( -12 -43 0.9 ) ist.

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

2.1 - 0.9 = 1.2 m

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|-40|10) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (-40|20|30) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 4min geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1min den Vektor AB → = ( -30 60 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( -10 -40 10 ) +t⋅ ( -30 60 20 ) 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 → = ( -10 -40 10 ) +4⋅ ( -30 60 20 ) = ( -130 200 90 ) , also im Punkt P(-130|200|90).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-10|-40|10) nach P(-130|200|90) bewegt, also um den Vektor AP → = ( -120 240 80 ) . Dessen Länge ist (-120) 2 + 2402 + 80 2 = 78400 = 280m.

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( -5 4 0 ) +t⋅ ( 29 3 -20 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-29|6|29) . Nach 3min ist es im Punkt B (61|6|-31) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 1min von einander entfernt?

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F2 legt in 3min den Vektor AB → = ( 90 0 -60 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( 90 0 -60 ) = ( 30 0 -20 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( -29 6 29 ) +t⋅ ( 30 0 -20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 1min an der Stelle P1 ( -5 4 0 ) +1⋅ ( 29 3 -20 ) = ( 24 7 -20 ) ; F2 an der Stelle P2 ( -29 6 29 ) +1⋅ ( 30 0 -20 ) = ( 1 6 9 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(24|7|-20) und P2(1|6|9):
P1P2 → = ( 1-24 6-7 9-( - 20 ) ) = ( -23 -1 29 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 → | = | ( -23 -1 29 ) | = (-23) 2 + (-1)2 + 29 2 = 1371 ≈ 37.027017163147

Der Abstand ist also ca. 37.03 km.