Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-150|-150|50) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-950|-950|450) angelangt.
Wo ist die Rakete nach 11s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( -800 -800 400 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( -800 -800 400 ) = ( -400 -400 200 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -150 -150 50 ) +t ( -400 -400 200 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 11 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -150 -150 50 ) +11 ( -400 -400 200 ) = ( -4550 -4550 2250 ) , also im Punkt P(-4550|-4550|2250).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|-20|20) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (170|140|100) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 8s seit seinem Start zurückgelegt?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB = ( 160 160 80 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( 160 160 80 ) = ( 40 40 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 10 -20 20 ) +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 = ( 10 -20 20 ) +8 ( 40 40 20 ) = ( 330 300 180 ) , also im Punkt P(330|300|180).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(10|-20|20) nach P(330|300|180) bewegt, also um den Vektor AP = ( 320 320 160 ) . Dessen Länge ist 320 2 + 3202 + 160 2 = 230400 = 480m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|10|0) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (-130|190|90) angelangt.
Gib die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h an?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor AB = ( -180 180 90 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( -180 180 90 ) = ( -60 60 30 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-60) 2 + 602 + 30 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 (-20|-30|40) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-340|-190|80) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 360m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB = ( -320 -160 40 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( -320 -160 40 ) = ( -80 -40 10 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -20 -30 40 ) +t ( -80 -40 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 40 auf 360m (also 320m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 320 10 s = 32s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (1|4|654) in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 32,4km/h in Richtung des Punktes B (-31|-12|650) (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 = ( -32 -16 -4 ) ist (-32) 2 + (-16)2 + (-4) 2 = 1296 = 36 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 9 m s . braucht er für diese Strecke 36 9 s = 4s.
Punkt B wird als nach 4s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-9|-6|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (-57|42|-24) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 6,48 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 2 min den Vektor AB = ( -48 48 -24 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -48 48 -24 ) = ( -24 24 -12 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -9 -6 0 ) +t ( -24 24 -12 ) 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 = (-24) 2 + 242 + (-12) 2 = 1296 = 36.
Die Geschwindigkeit ist also v=36 m min
Für die Strecke von 6.48 km braucht es also 6480 36 min = 180min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -9 -6 0 ) +180 ( -24 24 -12 ) = ( -4329 4314 -2160 ) , also im Punkt P(-4329|4314|-2160).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -2160 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -1 3 0 ) +t ( -6 8 -7 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (15|-10|16) . Nach 3s ist sie im Punkt B (-3|14|-8) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 2s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 3s den Vektor AB = ( -18 24 -24 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -18 24 -24 ) = ( -6 8 -8 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 15 -10 16 ) +t ( -6 8 -8 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 2s an der Stelle P1 ( -1 3 0 ) +2 ( -6 8 -7 ) = ( -13 19 -14 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 15 -10 16 ) +2 ( -6 8 -8 ) = ( 3 6 0 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-13|19|-14) und P2(3|6|0):
P1P2 = ( 3-( - 13 ) 6-19 0-( - 14 ) ) = ( 16 -13 14 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 16 -13 14 ) | = 16 2 + (-13)2 + 14 2 = 621 ≈ 24.919871588754

Der Abstand ist also ca. 24.92 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -1 -10 0,7 ) +t ( 8 -3 0,3 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|-26|1,6) . Nach 5min ist es im Punkt B (35|-21|2,6) angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?

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Das Flugzeug F2 legt in 5min den Vektor AB = ( -5 5 1 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 5 ( -5 5 1 ) = ( -1 1 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 40 -26 1.6 ) +t ( -1 1 0.2 ) 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 = 0,2t +1,6 | -0,7 -0,2t
0,1t = 0,9 |:0,1
t = 9

nach 9 min sind also beide auf gleicher Höhe: 0,39 +0,7 = 3.4 = 0,29 +1,6


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 76 24 1,2 ) +t ( -9 -2 0,4 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (9|9|0,5) . Nach 2min ist es im Punkt B (-1|7|1,5) 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?

Lösung einblenden

Das Flugzeug F2 legt in 2min den Vektor AB = ( -10 -2 1 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -10 -2 1 ) = ( -5 -1 0.5 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 9 9 0.5 ) +t ( -5 -1 0.5 ) 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.

( 76 24 1.2 ) +s ( -9 -2 0.4 ) = ( 9 9 0.5 ) +t ( -5 -1 0.5 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

76-9s= 9-5t24-2s= 9-1t

-9s +5t = -67 (I) -2s +t = -15 (II)
-9s +5t = -67 (I) -2s +t = -15 (II)

langsame Rechnung einblenden2·(I) -9·(II)

-9s 5t = -67 (I) ( -18 +18 )s +( 10 -9 )t = ( -134 +135 ) (II)
-9s +5t = -67 (I) +t = 1 (II)
Zeile (II): +t = 1

t = 1

eingesetzt in Zeile (I):

-9s +5·(1 ) = -67 | -5
-9 s = -72 | : (-9)

s = 8

L={(8 |1 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 8min und das Flugzeug F2 nach 1min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 8min bei ( 76 24 1.2 ) +8 ( -9 -2 0.4 ) = ( 4 8 4.4 ) , während das Flugzeug F2 nach 1min bei ( 9 9 0.5 ) +1 ( -5 -1 0.5 ) = ( 4 8 1 ) ist.

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

4.4 - 1 = 3.4 km

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-20|20|0) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (-80|80|30) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 180m erreicht?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -20 20 0 ) +t ( -60 60 30 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 30m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 0 auf 180m (also 180m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 180 30 min = 6min lang steigen (bzw. sinken).

Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|0|40) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (-50|120|80) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 6min?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB = ( -60 120 40 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -60 120 40 ) = ( -30 60 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 10 0 40 ) +t ( -30 60 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 6 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 10 0 40 ) +6 ( -30 60 20 ) = ( -170 360 160 ) , also im Punkt P(-170|360|160).