Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|30|20) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-170|-150|200) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 11s?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( -210 -180 180 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -210 -180 180 ) = ( -70 -60 60 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 40 30 20 ) +t ( -70 -60 60 ) 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 = ( 40 30 20 ) +11 ( -70 -60 60 ) = ( -730 -630 680 ) , also im Punkt P(-730|-630|680).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|-20|0) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (90|-50|20) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 11s seit seinem Start zurückgelegt?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( 60 -30 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 30 -20 0 ) +t ( 60 -30 20 ) 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 = ( 30 -20 0 ) +11 ( 60 -30 20 ) = ( 690 -350 220 ) , also im Punkt P(690|-350|220).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(30|-20|0) nach P(690|-350|220) bewegt, also um den Vektor AP = ( 660 -330 220 ) . Dessen Länge ist 660 2 + (-330)2 + 220 2 = 592900 = 770m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|30|30) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (250|-210|150) angelangt.
Wie groß ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB = ( 240 -240 120 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( 240 -240 120 ) = ( 60 -60 30 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 60 2 + (-60)2 + 30 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m s = 324 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|50|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (-170|-30|80) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 560m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB = ( -140 -80 80 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -140 -80 80 ) = ( -70 -40 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -30 50 0 ) +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 0 auf 560m (also 560m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 560 40 min = 14min lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (2|2|654) in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 32,4km/h in Richtung des Punktes B (-70|-34|645) (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 = ( -72 -36 -9 ) ist (-72) 2 + (-36)2 + (-9) 2 = 6561 = 81 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 9 m s . braucht er für diese Strecke 81 9 s = 9s.
Punkt B wird als nach 9s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|10|20) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (-40|100|40) angelangt.
Welche Höhe hat das Flugzeug, wenn es 24,2 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1 s den Vektor AB = ( -60 90 20 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 20 10 20 ) +t ( -60 90 20 ) 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 = (-60) 2 + 902 + 20 2 = 12100 = 110.
Die Geschwindigkeit ist also v=110 m s
Für die Strecke von 24.2 km braucht es also 24200 110 s = 220s
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 20 10 20 ) +220 ( -60 90 20 ) = ( -13180 19810 4420 ) , also im Punkt P(-13180|19810|4420).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 4420 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -5 -9 -1 ) +t ( -30 11 -2 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (27|-15|6) . Nach 2s ist sie im Punkt B (-33|9|-2) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 3s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 2s den Vektor AB = ( -60 24 -8 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( -60 24 -8 ) = ( -30 12 -4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 27 -15 6 ) +t ( -30 12 -4 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 3s an der Stelle P1 ( -5 -9 -1 ) +3 ( -30 11 -2 ) = ( -95 24 -7 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 27 -15 6 ) +3 ( -30 12 -4 ) = ( -63 21 -6 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-95|24|-7) und P2(-63|21|-6):
P1P2 = ( -63-( - 95 ) 21-24 -6-( - 7 ) ) = ( 32 -3 1 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 32 -3 1 ) | = 32 2 + (-3)2 + 1 2 = 1034 ≈ 32.155870381627

Der Abstand ist also ca. 32.16 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -7 -5 0,6 ) +t ( -5 0 0,4 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-28|-11|0,9) . Nach 3min ist es im Punkt B (-19|-2|1,8) angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?

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Das Flugzeug F2 legt in 3min den Vektor AB = ( 9 9 0.9 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( 9 9 0.9 ) = ( 3 3 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -28 -11 0.9 ) +t ( 3 3 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:

0,4t +0,6 = 0,3t +0,9 | -0,6 -0,3t
0,1t = 0,3 |:0,1
t = 3

nach 3 min sind also beide auf gleicher Höhe: 0,43 +0,6 = 1.8 = 0,33 +0,9


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-8|-3|0,8) . Nach 3s ist sie im Punkt B (-11|-24|1,4) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 51 -10 0,4 ) +t ( -10 0 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.

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Die Seilbahngondel legt in 3s den Vektor AB = ( -3 -21 0.6 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -3 -21 0.6 ) = ( -1 -7 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -8 -3 0.8 ) +t ( -1 -7 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.

( 51 -10 0.4 ) +s ( -10 0 0.3 ) = ( -8 -3 0.8 ) +t ( -1 -7 0.2 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

51-10s= -8-1t-10+0s= -3-7t

-10s +t = -59 (I) +7t = 7 (II)
-10s +t = -59 (I) +7t = 7 (II)
-10 s +1 t = -59 (I) 0 s +7 t = +7 (II)
-10s +t = -59 (I) +7t = 7 (II)
Zeile (II): +7t = 7

t = 1

eingesetzt in Zeile (I):

-10s +(1 ) = -59 | -1
-10 s = -60 | : (-10)

s = 6

L={(6 |1 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 6s und die Seilbahngondel nach 1s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 6s bei ( 51 -10 0.4 ) +6 ( -10 0 0.3 ) = ( -9 -10 2.2 ) , während die Seilbahngondel nach 1s bei ( -8 -3 0.8 ) +1 ( -1 -7 0.2 ) = ( -9 -10 1 ) 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 = 1.2 m

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|-30|0) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (110|-70|40) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 440m 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 = ( 40 -30 0 ) +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 0 auf 440m (also 440m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 440 40 min = 11min lang steigen (bzw. sinken).

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -1 0 0,5 ) +t ( -7 8 0,5 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-15|40|1,7) . Nach 1h ist er im Punkt B (-22|42|2) 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 1h den Vektor AB = ( -7 2 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -15 40 1.7 ) +t ( -7 2 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:

0,5t +0,5 = 0,3t +1,7 | -0,5 -0,3t
0,2t = 1,2 |:0,2
t = 6

nach 6 h sind also beide auf gleicher Höhe: 0,56 +0,5 = 3.5 = 0,36 +1,7