Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-20|0|10) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (300|160|50) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 7s?

Lösung einblenden

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 0 10 ) +t ( 80 40 10 ) 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 = ( -20 0 10 ) +7 ( 80 40 10 ) = ( 540 280 80 ) , also im Punkt P(540|280|80).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|30|20) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (270|270|140) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 10min geflogen?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor AB = ( 240 240 120 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( 240 240 120 ) = ( 60 60 30 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 30 30 20 ) +t ( 60 60 30 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 10 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 30 30 20 ) +10 ( 60 60 30 ) = ( 630 630 320 ) , also im Punkt P(630|630|320).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(30|30|20) nach P(630|630|320) bewegt, also um den Vektor AP = ( 600 600 300 ) . Dessen Länge ist 600 2 + 6002 + 300 2 = 810000 = 900m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (100|200|250) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (200|300|300) 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 Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|30|40) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (120|70|80) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 520m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1min den Vektor AB = ( 70 40 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 50 30 40 ) +t ( 70 40 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 40m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 40 auf 520m (also 480m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 480 40 min = 12min 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 43,2km/h in Richtung des Punktes B (39|-36|634) (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= 43200 m 3600 s = 12 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( 40 -40 -20 ) ist 40 2 + (-40)2 + (-20) 2 = 3600 = 60 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 12 m s . braucht er für diese Strecke 60 12 s = 5s.
Punkt B wird als nach 5s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (18|-12|0) (alle Angaben in Meter). Da der Wind extrem gleichmäßig ist, fliegt er mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn. Nach 2min ist er im Punkt B (-54|-96|72) angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 14,52 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2 min den Vektor AB = ( -72 -84 72 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -72 -84 72 ) = ( -36 -42 36 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 18 -12 0 ) +t ( -36 -42 36 ) 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 = (-36) 2 + (-42)2 + 36 2 = 4356 = 66.
Die Geschwindigkeit ist also v=66 m min
Für die Strecke von 14.52 km braucht es also 14520 66 min = 220min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 18 -12 0 ) +220 ( -36 -42 36 ) = ( -7902 -9252 7920 ) , also im Punkt P(-7902|-9252|7920).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 7920 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 4 4 0 ) +t ( -10 -2 11 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (26|13|-22) . Nach 1s ist sie im Punkt B (16|9|-10) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 5s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 1s den Vektor AB = ( -10 -4 12 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 26 13 -22 ) +t ( -10 -4 12 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 5s an der Stelle P1 ( 4 4 0 ) +5 ( -10 -2 11 ) = ( -46 -6 55 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 26 13 -22 ) +5 ( -10 -4 12 ) = ( -24 -7 38 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-46|-6|55) und P2(-24|-7|38):
P1P2 = ( -24-( - 46 ) -7-( - 6 ) 38-55 ) = ( 22 -1 -17 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 22 -1 -17 ) | = 22 2 + (-1)2 + (-17) 2 = 774 ≈ 27.820855486487

Der Abstand ist also ca. 27.82 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 5 -1 1,4 ) +t ( 5 -5 0,1 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (1|-29|0) . Nach 3h ist er im Punkt B (10|-26|0,9) angelangt. Bei beiden soll angenommen werden, dass sie sich mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn fortbewegen.
Wann sind die beiden Heißluftballone auf gleicher Höhe?

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Der Heißluftballon F2 legt in 3h den Vektor AB = ( 9 3 0.9 ) zurück.
In 1h legt es also den Vektor 1 3 ( 9 3 0.9 ) = ( 3 1 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 1 -29 0 ) +t ( 3 1 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 +1,4 = 0,3t +0
0,1t +1,4 = 0,3t | -1,4 -0,3t
-0,2t = -1,4 |:(-0,2 )
t = 7

nach 7 h sind also beide auf gleicher Höhe: 0,17 +1,4 = 2.1 = 0,37 +0


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -6 3 0,8 ) +t ( -5 -10 0,2 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-39|-27|1,3) . Nach 4h ist er im Punkt B (-47|-67|1,7) 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 4h den Vektor AB = ( -8 -40 0.4 ) zurück.
In 1h legt es also den Vektor 1 4 ( -8 -40 0.4 ) = ( -2 -10 0.1 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -39 -27 1.3 ) +t ( -2 -10 0.1 ) 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.

( -6 3 0.8 ) +s ( -5 -10 0.2 ) = ( -39 -27 1.3 ) +t ( -2 -10 0.1 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-6-5s= -39-2t3-10s= -27-10t

-5s +2t = -33 (I) -10s +10t = -30 (II)
-5s +2t = -33 (I) -10s +10t = -30 (II)

langsame Rechnung einblenden2·(I) -1·(II)

-5s 2t = -33 (I) ( -10 +10 )s +( 4 -10 )t = ( -66 +30 ) (II)
-5s +2t = -33 (I) -6t = -36 (II)
Zeile (II): -6t = -36

t = 6

eingesetzt in Zeile (I):

-5s +2·(6 ) = -33 | -12
-5 s = -45 | : (-5)

s = 9

L={(9 |6 )}

Das heißt also, dass der Heißluftballon F1 nach 9h und der Heißluftballon F2 nach 6h an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

der Heißluftballon F1 ist also nach 9h bei ( -6 3 0.8 ) +9 ( -5 -10 0.2 ) = ( -51 -87 2.6 ) , während der Heißluftballon F2 nach 6h bei ( -39 -27 1.3 ) +6 ( -2 -10 0.1 ) = ( -51 -87 1.9 ) ist.

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

2.6 - 1.9 = 0.7 km

Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-20|50|30) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-180|210|110) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 8s?

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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 = ( -20 50 30 ) +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 = ( -20 50 30 ) +8 ( -40 40 20 ) = ( -340 370 190 ) , also im Punkt P(-340|370|190).

Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 105 -22 1,3 ) +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 (-6|1|0,6) . Nach 2min ist es im Punkt B (0|15|1,4) 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 = ( 6 14 0.8 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( 6 14 0.8 ) = ( 3 7 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -6 1 0.6 ) +t ( 3 7 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.

( 105 -22 1.3 ) +s ( -10 8 0.3 ) = ( -6 1 0.6 ) +t ( 3 7 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

105-10s= -6+3t-22+8s= 1+7t

-10s -3t = -111 (I) 8s -7t = 23 (II)
-10s -3t = -111 (I) 8s -7t = 23 (II)

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

-10s -3t = -111 (I) ( -40 +40 )s +( -12 -35 )t = ( -444 +115 ) (II)
-10s -3t = -111 (I) -47t = -329 (II)
Zeile (II): -47t = -329

t = 7

eingesetzt in Zeile (I):

-10s -3·(7 ) = -111 | +21
-10 s = -90 | : (-10)

s = 9

L={(9 |7 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 9min und das Flugzeug F2 nach 7min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 9min bei ( 105 -22 1.3 ) +9 ( -10 8 0.3 ) = ( 15 50 4 ) , während das Flugzeug F2 nach 7min bei ( -6 1 0.6 ) +7 ( 3 7 0.4 ) = ( 15 50 3.4 ) ist.

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

4 - 3.4 = 0.6 km