Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|0|40) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (200|-160|120) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 8s?

Lösung einblenden

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 = ( 40 0 40 ) +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 = ( 40 0 40 ) +8 ( 40 -40 20 ) = ( 360 -320 200 ) , also im Punkt P(360|-320|200).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|10|30) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (370|-230|110) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 6s seit seinem Start zurückgelegt?

Lösung einblenden

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 = ( 10 10 30 ) +t ( 90 -60 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 6 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 10 10 30 ) +6 ( 90 -60 20 ) = ( 550 -350 150 ) , also im Punkt P(550|-350|150).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(10|10|30) nach P(550|-350|150) bewegt, also um den Vektor AP = ( 540 -360 120 ) . Dessen Länge ist 540 2 + (-360)2 + 120 2 = 435600 = 660m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (200|200|0) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (100|300|50) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( -100 100 50 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-100) 2 + 1002 + 50 2 = 22500 = 150.
Die Geschwindigkeit ist also v=150 m s = 540 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-40|-20|50) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (0|-60|70) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 270m erreicht?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -40 -20 50 ) +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 50 auf 270m (also 220m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 220 20 s = 11s 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 21,6km/h in Richtung des Punktes B (-11|8|648) (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= 21600 m 3600 s = 6 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -12 12 -6 ) ist (-12) 2 + 122 + (-6) 2 = 324 = 18 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 6 m s . braucht er für diese Strecke 18 6 s = 3s.
Punkt B wird als nach 3s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-18|0|0) (alle Angaben in Meter). Da der Wind extrem gleichmäßig ist, fliegt er mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn. Nach 1min ist er im Punkt B (24|-24|24) angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 2,16 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1 min den Vektor AB = ( 42 -24 24 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -18 0 0 ) +t ( 42 -24 24 ) 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 = 42 2 + (-24)2 + 24 2 = 2916 = 54.
Die Geschwindigkeit ist also v=54 m min
Für die Strecke von 2.16 km braucht es also 2160 54 min = 40min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -18 0 0 ) +40 ( 42 -24 24 ) = ( 1662 -960 960 ) , also im Punkt P(1662|-960|960).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 960 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 3 0 0 ) +t ( 8 -13 -1 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-14|46|4) . Nach 2s ist sie im Punkt B (2|18|4) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 1s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 2s den Vektor AB = ( 16 -28 0 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 16 -28 0 ) = ( 8 -14 0 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -14 46 4 ) +t ( 8 -14 0 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 1s an der Stelle P1 ( 3 0 0 ) +1 ( 8 -13 -1 ) = ( 11 -13 -1 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( -14 46 4 ) +1 ( 8 -14 0 ) = ( -6 32 4 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(11|-13|-1) und P2(-6|32|4):
P1P2 = ( -6-11 32-( - 13 ) 4-( - 1 ) ) = ( -17 45 5 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -17 45 5 ) | = (-17) 2 + 452 + 5 2 = 2339 ≈ 48.363209157375

Der Abstand ist also ca. 48.36 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -3 4 0,9 ) +t ( -6 3 0,1 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-92|-32|0,1) . Nach 1min ist es im Punkt B (-87|-23|0,4) angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?

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Das Flugzeug F2 legt in 1min den Vektor AB = ( 5 9 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -92 -32 0.1 ) +t ( 5 9 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 +0,9 = 0,3t +0,1 | -0,9 -0,3t
-0,2t = -0,8 |:(-0,2 )
t = 4

nach 4 min sind also beide auf gleicher Höhe: 0,14 +0,9 = 1.3 = 0,34 +0,1


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -68 45 2,3 ) +t ( 10 -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|2|0,5) . Nach 4min ist es im Punkt B (13|-26|2,5) 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 4min den Vektor AB = ( 4 -28 2 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( 4 -28 2 ) = ( 1 -7 0.5 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 9 2 0.5 ) +t ( 1 -7 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.

( -68 45 2.3 ) +s ( 10 -8 0.3 ) = ( 9 2 0.5 ) +t ( 1 -7 0.5 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-68+10s= 9+1t45-8s= 2-7t

10s -1t = 77 (I) -8s +7t = -43 (II)
10s -1t = 77 (I) -8s +7t = -43 (II)

langsame Rechnung einblenden4·(I) + 5·(II)

10s -1t = 77 (I) ( 40 -40 )s +( -4 +35 )t = ( 308 -215 ) (II)
10s -1t = 77 (I) +31t = 93 (II)
Zeile (II): +31t = 93

t = 3

eingesetzt in Zeile (I):

10s -1(3 ) = 77 | +3
10 s = 80 | : 10

s = 8

L={(8 |3 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 8min und das Flugzeug F2 nach 3min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 8min bei ( -68 45 2.3 ) +8 ( 10 -8 0.3 ) = ( 12 -19 4.7 ) , während das Flugzeug F2 nach 3min bei ( 9 2 0.5 ) +3 ( 1 -7 0.5 ) = ( 12 -19 2 ) ist.

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

4.7 - 2 = 2.7 km

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|-20|40) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (110|100|100) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 520m erreicht?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -10 -20 40 ) +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 40 auf 520m (also 480m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 480 30 min = 16min lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|40|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (-130|-40|20) angelangt.
Gib die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h an?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB = ( -160 -80 20 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -160 -80 20 ) = ( -80 -40 10 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-80) 2 + (-40)2 + 10 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m min = 5.4 km h