Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|20|30) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (70|80|70) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 4s?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -50 20 30 ) +t ( 60 30 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 4 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -50 20 30 ) +4 ( 60 30 20 ) = ( 190 140 110 ) , also im Punkt P(190|140|110).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-40|40|0) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-160|-170|120) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 5s seit seinem Start zurückgelegt?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( -120 -210 120 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -120 -210 120 ) = ( -40 -70 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -40 40 0 ) +t ( -40 -70 40 ) 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 = ( -40 40 0 ) +5 ( -40 -70 40 ) = ( -240 -310 200 ) , also im Punkt P(-240|-310|200).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-40|40|0) nach P(-240|-310|200) bewegt, also um den Vektor AP = ( -200 -350 200 ) . Dessen Länge ist (-200) 2 + (-350)2 + 200 2 = 202500 = 450m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|100|250) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (400|-700|350) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( 400 -800 100 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 400 -800 100 ) = ( 200 -400 50 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 200 2 + (-400)2 + 50 2 = 202500 = 450.
Die Geschwindigkeit ist also v=450 m s = 1620 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|0|250) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (1100|900|1150) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 8350m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( 1050 900 900 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 1050 900 900 ) = ( 350 300 300 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 50 0 250 ) +t ( 350 300 300 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 300m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 250 auf 8350m (also 8100m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 8100 300 s = 27s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|-100|250) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1620km/h in Richtung des Punktes B (-1850|-3250|2050) (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 = ( -1800 -3150 1800 ) ist (-1800) 2 + (-3150)2 + 1800 2 = 16402500 = 4050 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 450 m s . braucht er für diese Strecke 4050 450 s = 9s.
Punkt B wird als nach 9s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (12|-12|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (24|-24|-6) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 1,26 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 2 min den Vektor AB = ( 12 -12 -6 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( 12 -12 -6 ) = ( 6 -6 -3 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 12 -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 1.26 km braucht es also 1260 9 min = 140min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 12 -12 0 ) +140 ( 6 -6 -3 ) = ( 852 -852 -420 ) , also im Punkt P(852|-852|-420).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -420 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 8 -6 -1 ) +t ( -5 5 0 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (21|-4|5) . Nach 5s ist sie im Punkt B (-4|26|-5) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 3s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 5s den Vektor AB = ( -25 30 -10 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 5 ( -25 30 -10 ) = ( -5 6 -2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 21 -4 5 ) +t ( -5 6 -2 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 3s an der Stelle P1 ( 8 -6 -1 ) +3 ( -5 5 0 ) = ( -7 9 -1 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 21 -4 5 ) +3 ( -5 6 -2 ) = ( 6 14 -1 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-7|9|-1) und P2(6|14|-1):
P1P2 = ( 6-( - 7 ) 14-9 -1-( - 1 ) ) = ( 13 5 0 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 13 5 0 ) | = 13 2 + 52 + 0 2 = 194 ≈ 13.928388277184

Der Abstand ist also ca. 13.93 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-36|-53|0) . Nach 1s ist sie im Punkt B (-32|-48|0,3) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 8 -6 2 ) +t ( -8 -2 0,1 ) . (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 = ( 4 5 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -36 -53 0 ) +t ( 4 5 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:

0,1t +2 = 0,3t +0
0,1t +2 = 0,3t | -2 -0,3t
-0,2t = -2 |:(-0,2 )
t = 10

nach 10 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,110 +2 = 3 = 0,310 +0


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -4 5 0,9 ) +t ( -2 10 0,1 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-48|21|0,1) . Nach 4h ist er im Punkt B (-28|57|0,9) 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?

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Der Heißluftballon F2 legt in 4h den Vektor AB = ( 20 36 0.8 ) zurück.
In 1h legt es also den Vektor 1 4 ( 20 36 0.8 ) = ( 5 9 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -48 21 0.1 ) +t ( 5 9 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.

( -4 5 0.9 ) +s ( -2 10 0.1 ) = ( -48 21 0.1 ) +t ( 5 9 0.2 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-4-2s= -48+5t5+10s= 21+9t

-2s -5t = -44 (I) 10s -9t = 16 (II)
-2s -5t = -44 (I) 10s -9t = 16 (II)

langsame Rechnung einblenden5·(I) + 1·(II)

-2s -5t = -44 (I) ( -10 +10 )s +( -25 -9 )t = ( -220 +16 ) (II)
-2s -5t = -44 (I) -34t = -204 (II)
Zeile (II): -34t = -204

t = 6

eingesetzt in Zeile (I):

-2s -5·(6 ) = -44 | +30
-2 s = -14 | : (-2)

s = 7

L={(7 |6 )}

Das heißt also, dass der Heißluftballon F1 nach 7h und der Heißluftballon F2 nach 6h an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

der Heißluftballon F1 ist also nach 7h bei ( -4 5 0.9 ) +7 ( -2 10 0.1 ) = ( -18 75 1.6 ) , während der Heißluftballon F2 nach 6h bei ( -48 21 0.1 ) +6 ( 5 9 0.2 ) = ( -18 75 1.3 ) ist.

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

1.6 - 1.3 = 0.3 km

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 (-210|170|100) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 660m erreicht?

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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 = ( -50 10 20 ) +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 20 auf 660m (also 640m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 640 20 s = 32s lang steigen (bzw. sinken).

Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -1 7 0,9 ) +t ( 7 -3 0,1 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (48|-54|0,1) . Nach 4min ist es im Punkt B (48|-14|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?

Lösung einblenden

Das Flugzeug F2 legt in 4min den Vektor AB = ( 0 40 1.2 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( 0 40 1.2 ) = ( 0 10 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 48 -54 0.1 ) +t ( 0 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.

( -1 7 0.9 ) +s ( 7 -3 0.1 ) = ( 48 -54 0.1 ) +t ( 0 10 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-1+7s= 48+0t7-3s= -54+10t

7s = 49 (I) -3s -10t = -61 (II)
7s = 49 (I) -3s -10t = -61 (II)

langsame Rechnung einblenden3·(I) + 7·(II)

7s = 49 (I) ( 21 -21 )s +(0 -70 )t = ( 147 -427 ) (II)
7s = 49 (I) -70t = -280 (II)
Zeile (II): -70t = -280

t = 4

eingesetzt in Zeile (I):

7s = 49

s = 7

L={(7 |4 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 7min und das Flugzeug F2 nach 4min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 7min bei ( -1 7 0.9 ) +7 ( 7 -3 0.1 ) = ( 48 -14 1.6 ) , während das Flugzeug F2 nach 4min bei ( 48 -54 0.1 ) +4 ( 0 10 0.3 ) = ( 48 -14 1.3 ) ist.

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

1.6 - 1.3 = 0.3 km