Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|-10|40) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (130|-150|160) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 7s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( 120 -140 120 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 120 -140 120 ) = ( 60 -70 60 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 10 -10 40 ) +t ( 60 -70 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 = ( 10 -10 40 ) +7 ( 60 -70 60 ) = ( 430 -500 460 ) , also im Punkt P(430|-500|460).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|0|10) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-110|-80|50) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 8s seit seinem Start zurückgelegt?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( -80 -80 40 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( -80 -80 40 ) = ( -40 -40 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -30 0 10 ) +t ( -40 -40 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 8 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -30 0 10 ) +8 ( -40 -40 20 ) = ( -350 -320 170 ) , also im Punkt P(-350|-320|170).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-30|0|10) nach P(-350|-320|170) bewegt, also um den Vektor AP = ( -320 -320 160 ) . Dessen Länge ist (-320) 2 + (-320)2 + 160 2 = 230400 = 480m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|-10|30) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (160|110|150) angelangt.
Gib die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h an?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor AB = ( 210 120 120 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( 210 120 120 ) = ( 70 40 40 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 70 2 + 402 + 40 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m min = 5.4 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|10|20) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-310|-230|100) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 580m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB = ( -360 -240 80 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( -360 -240 80 ) = ( -90 -60 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 50 10 20 ) +t ( -90 -60 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 20m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 20 auf 580m (also 560m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 560 20 s = 28s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (2|-3|654) in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 39,6km/h in Richtung des Punktes B (-19|-21|636) (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= 39600 m 3600 s = 11 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -21 -18 -18 ) ist (-21) 2 + (-18)2 + (-18) 2 = 1089 = 33 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 11 m s . braucht er für diese Strecke 33 11 s = 3s.
Punkt B wird als nach 3s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|0|50) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (230|-120|80) angelangt.
Welche Höhe hat das Flugzeug, wenn es 18 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3 s den Vektor AB = ( 240 -120 30 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 240 -120 30 ) = ( 80 -40 10 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -10 0 50 ) +t ( 80 -40 10 ) 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 = 80 2 + (-40)2 + 10 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m s
Für die Strecke von 18 km braucht es also 18000 90 s = 200s
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -10 0 50 ) +200 ( 80 -40 10 ) = ( 15990 -8000 2050 ) , also im Punkt P(15990|-8000|2050).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 2050 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -9 10 2 ) +t ( 15 -24 13 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-51|89|-28) . Nach 2s ist sie im Punkt B (-19|41|-4) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 5s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 2s den Vektor AB = ( 32 -48 24 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 32 -48 24 ) = ( 16 -24 12 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -51 89 -28 ) +t ( 16 -24 12 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 5s an der Stelle P1 ( -9 10 2 ) +5 ( 15 -24 13 ) = ( 66 -110 67 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( -51 89 -28 ) +5 ( 16 -24 12 ) = ( 29 -31 32 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(66|-110|67) und P2(29|-31|32):
P1P2 = ( 29-66 -31-( - 110 ) 32-67 ) = ( -37 79 -35 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -37 79 -35 ) | = (-37) 2 + 792 + (-35) 2 = 8835 ≈ 93.994680700559

Der Abstand ist also ca. 93.99 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (37|52|1,9) . Nach 2s ist sie im Punkt B (35|50|2,1) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -3 -4 0,7 ) +t ( 4 6 0,3 ) . (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 2s den Vektor AB = ( -2 -2 0.2 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( -2 -2 0.2 ) = ( -1 -1 0.1 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 37 52 1.9 ) +t ( -1 -1 0.1 ) 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:

0,3t +0,7 = 0,1t +1,9 | -0,7 -0,1t
0,2t = 1,2 |:0,2
t = 6

nach 6 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,36 +0,7 = 2.5 = 0,16 +1,9


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|7|0) . Nach 5s ist sie im Punkt B (-20|-28|1,5) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 7 -7 2 ) +t ( -9 -7 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.

Lösung einblenden

Die Seilbahngondel legt in 5s den Vektor AB = ( -30 -35 1.5 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 5 ( -30 -35 1.5 ) = ( -6 -7 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 10 7 0 ) +t ( -6 -7 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.

( 7 -7 2 ) +s ( -9 -7 0.1 ) = ( 10 7 0 ) +t ( -6 -7 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

7-9s= 10-6t-7-7s= 7-7t

-9s +6t = 3 (I) -7s +7t = 14 (II)
-9s +6t = 3 (I) -7s +7t = 14 (II)

langsame Rechnung einblenden7·(I) -9·(II)

-9s 6t = 3 (I) ( -63 +63 )s +( 42 -63 )t = ( 21 -126 ) (II)
-9s +6t = 3 (I) -21t = -105 (II)
Zeile (II): -21t = -105

t = 5

eingesetzt in Zeile (I):

-9s +6·(5 ) = 3 | -30
-9 s = -27 | : (-9)

s = 3

L={(3 |5 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 3s und die Seilbahngondel nach 5s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 3s bei ( 7 -7 2 ) +3 ( -9 -7 0.1 ) = ( -20 -28 2.3 ) , während die Seilbahngondel nach 5s bei ( 10 7 0 ) +5 ( -6 -7 0.3 ) = ( -20 -28 1.5 ) ist.

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

2.3 - 1.5 = 0.8 m

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|-40|10) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (70|-60|20) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 100m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( 20 -20 10 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 50 -40 10 ) +t ( 20 -20 10 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 10m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 10 auf 100m (also 90m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 90 10 s = 9s lang steigen (bzw. sinken).

Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 70 -42 1,3 ) +t ( -9 8 0,3 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-6|-2|0,6) . Nach 3h ist er im Punkt B (24|-8|1,8) angelangt. Bei beiden soll angenommen werden, dass sie sich mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn fortbewegen.
Die Partyheißluftballone sprühen einen pinken Farbstoff aus, so dass ihre Flugbahn noch einige Zeit später zu erkennen ist. Ein Beobachter steht direkt senkrecht unter dem scheinbaren Schnittpunkt der beiden Flugbahnen der Ballone. Wie hoch ist an dieser Stelle der Höhenunterschied der beiden Flugbahnen tatsächlich?

Lösung einblenden

Der Heißluftballon F2 legt in 3h den Vektor AB = ( 30 -6 1.2 ) zurück.
In 1h legt es also den Vektor 1 3 ( 30 -6 1.2 ) = ( 10 -2 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -6 -2 0.6 ) +t ( 10 -2 0.4 ) 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.

( 70 -42 1.3 ) +s ( -9 8 0.3 ) = ( -6 -2 0.6 ) +t ( 10 -2 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

70-9s= -6+10t-42+8s= -2-2t

-9s -10t = -76 (I) 8s +2t = 40 (II)
-9s -10t = -76 (I) 8s +2t = 40 (II)

langsame Rechnung einblenden8·(I) + 9·(II)

-9s -10t = -76 (I) ( -72 +72 )s +( -80 +18 )t = ( -608 +360 ) (II)
-9s -10t = -76 (I) -62t = -248 (II)
Zeile (II): -62t = -248

t = 4

eingesetzt in Zeile (I):

-9s -10·(4 ) = -76 | +40
-9 s = -36 | : (-9)

s = 4

L={(4 |4 )}

Das heißt also, dass der Heißluftballon F1 nach 4h und der Heißluftballon F2 nach 4h an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

der Heißluftballon F1 ist also nach 4h bei ( 70 -42 1.3 ) +4 ( -9 8 0.3 ) = ( 34 -10 2.5 ) , während der Heißluftballon F2 nach 4h bei ( -6 -2 0.6 ) +4 ( 10 -2 0.4 ) = ( 34 -10 2.2 ) ist.

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

2.5 - 2.2 = 0.3 km