Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|-20|10) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (-130|60|50) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 7min?

Lösung einblenden

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -50 -20 10 ) +t ( -40 40 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 7 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -50 -20 10 ) +7 ( -40 40 20 ) = ( -330 260 150 ) , also im Punkt P(-330|260|150).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|-40|0) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (90|0|20) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 2s seit seinem Start zurückgelegt?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( 40 40 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 50 -40 0 ) +t ( 40 40 20 ) 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
OP = ( 50 -40 0 ) +2 ( 40 40 20 ) = ( 130 40 40 ) , also im Punkt P(130|40|40).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(50|-40|0) nach P(130|40|40) bewegt, also um den Vektor AP = ( 80 80 40 ) . Dessen Länge ist 80 2 + 802 + 40 2 = 14400 = 120m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|40|40) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (-170|-80|80) angelangt.
Gib die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h an?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB = ( -180 -120 40 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -180 -120 40 ) = ( -90 -60 20 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-90) 2 + (-60)2 + 20 2 = 12100 = 110.
Die Geschwindigkeit ist also v=110 m min = 6.6 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|-20|30) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-60|-100|70) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 390m erreicht?

Lösung einblenden

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 = ( 20 -20 30 ) +t ( -40 -40 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 30 auf 390m (also 360m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 360 20 s = 18s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|50|30) und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 216km/h in Richtung des Punktes B (-270|330|170) (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= 216000 m 3600 s = 60 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -280 280 140 ) ist (-280) 2 + 2802 + 140 2 = 176400 = 420 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 60 m s . braucht er für diese Strecke 420 60 s = 7s.
Punkt B wird als nach 7s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-40|50|30) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (80|290|60) angelangt.
Welche Höhe hat das Flugzeug, wenn es 10,8 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3 s den Vektor AB = ( 120 240 30 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 120 240 30 ) = ( 40 80 10 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -40 50 30 ) +t ( 40 80 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 = 40 2 + 802 + 10 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m s
Für die Strecke von 10.8 km braucht es also 10800 90 s = 120s
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -40 50 30 ) +120 ( 40 80 10 ) = ( 4760 9650 1230 ) , also im Punkt P(4760|9650|1230).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 1230 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 4 -7 2 ) +t ( -3 4 -2 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (15|-5|5) . Nach 3s ist sie im Punkt B (6|7|-4) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 5s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 3s den Vektor AB = ( -9 12 -9 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -9 12 -9 ) = ( -3 4 -3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 15 -5 5 ) +t ( -3 4 -3 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 5s an der Stelle P1 ( 4 -7 2 ) +5 ( -3 4 -2 ) = ( -11 13 -8 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 15 -5 5 ) +5 ( -3 4 -3 ) = ( 0 15 -10 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-11|13|-8) und P2(0|15|-10):
P1P2 = ( 0-( - 11 ) 15-13 -10-( - 8 ) ) = ( 11 2 -2 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 11 2 -2 ) | = 11 2 + 22 + (-2) 2 = 129 ≈ 11.357816691601

Der Abstand ist also ca. 11.36 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -6 5 0,7 ) +t ( -3 -8 0,3 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (9|-21|2,7) . Nach 4min ist es im Punkt B (1|-13|3,1) angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?

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Das Flugzeug F2 legt in 4min den Vektor AB = ( -8 8 0.4 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( -8 8 0.4 ) = ( -2 2 0.1 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 9 -21 2.7 ) +t ( -2 2 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 +2,7 | -0,7 -0,1t
0,2t = 2 |:0,2
t = 10

nach 10 min sind also beide auf gleicher Höhe: 0,310 +0,7 = 3.7 = 0,110 +2,7


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-5|7|0,6) . Nach 3s ist sie im Punkt B (1|1|1,8) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -48 -35 1,1 ) +t ( 9 8 0,3 ) . (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 3s den Vektor AB = ( 6 -6 1.2 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 6 -6 1.2 ) = ( 2 -2 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -5 7 0.6 ) +t ( 2 -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.

( -48 -35 1.1 ) +s ( 9 8 0.3 ) = ( -5 7 0.6 ) +t ( 2 -2 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-48+9s= -5+2t-35+8s= 7-2t

9s -2t = 43 (I) 8s +2t = 42 (II)
9s -2t = 43 (I) 8s +2t = 42 (II)

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

9s -2t = 43 (I) ( 72 -72 )s +( -16 -18 )t = ( 344 -378 ) (II)
9s -2t = 43 (I) -34t = -34 (II)
Zeile (II): -34t = -34

t = 1

eingesetzt in Zeile (I):

9s -2·(1 ) = 43 | +2
9 s = 45 | : 9

s = 5

L={(5 |1 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 5s und die Seilbahngondel nach 1s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 5s bei ( -48 -35 1.1 ) +5 ( 9 8 0.3 ) = ( -3 5 2.6 ) , während die Seilbahngondel nach 1s bei ( -5 7 0.6 ) +1 ( 2 -2 0.4 ) = ( -3 5 1 ) ist.

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

2.6 - 1 = 1.6 m

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|-20|40) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (150|70|100) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 820m erreicht?

Lösung einblenden

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -30 -20 40 ) +t ( 60 30 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 40 auf 820m (also 780m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 780 20 min = 39min lang steigen (bzw. sinken).

Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (7|7|0,8) . Nach 2s ist sie im Punkt B (21|13|1,2) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 49 9 1,8 ) +t ( -7 1 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 2s den Vektor AB = ( 14 6 0.4 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 14 6 0.4 ) = ( 7 3 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 7 7 0.8 ) +t ( 7 3 0.2 ) 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.

( 49 9 1.8 ) +s ( -7 1 0.1 ) = ( 7 7 0.8 ) +t ( 7 3 0.2 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

49-7s= 7+7t9+1s= 7+3t

-7s -7t = -42 (I) s -3t = -2 (II)
-7s -7t = -42 (I) s -3t = -2 (II)

langsame Rechnung einblenden1·(I) + 7·(II)

-7s -7t = -42 (I) ( -7 +7 )s +( -7 -21 )t = ( -42 -14 ) (II)
-7s -7t = -42 (I) -28t = -56 (II)
Zeile (II): -28t = -56

t = 2

eingesetzt in Zeile (I):

-7s -7·(2 ) = -42 | +14
-7 s = -28 | : (-7)

s = 4

L={(4 |2 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 4s und die Seilbahngondel nach 2s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 4s bei ( 49 9 1.8 ) +4 ( -7 1 0.1 ) = ( 21 13 2.2 ) , während die Seilbahngondel nach 2s bei ( 7 7 0.8 ) +2 ( 7 3 0.2 ) = ( 21 13 1.2 ) ist.

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

2.2 - 1.2 = 1 m