Pestalozzi Gymnasium Biberach EduRandomtasks

nach x Minuten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-40 | -20 | 10)$ (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B $(0 | 20 | 30)$ angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h?
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 7min?
Wie weit ist der Heißluftballon dann geflogen?
Berechne den Winkel mit dem der Heißluftballon steigt?
Wann hat er die Höhe von 210m erreicht?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 40 \\ 40 \\ 20 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{2}$ ⋅ $(\begin{matrix} 40 \\ 40 \\ 20 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 20 \\ 20 \\ 10 \end{matrix})$ zurück. Dieser Vektor hat die Länge = $\sqrt{20^{2} + 20^{2} + 10^{2}} = \sqrt{900} = 30$ .
Die Geschwindigkeit ist also v=30 $\frac{m}{\min}$ = 1.8 $\frac{km}{h}$

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -40 \\ -20 \\ 10 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 20 \\ 20 \\ 10 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 7 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
$\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} -40 \\ -20 \\ 10 \end{matrix}) + 7 \cdot (\begin{matrix} 20 \\ 20 \\ 10 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 100 \\ 120 \\ 80 \end{matrix})$ , also im Punkt P $(100 | 120 | 80)$ .

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A $(-40 | -20 | 10)$ nach P $(100 | 120 | 80)$ bewegt, also um den Vektor $\vec{AP}$ = $(\begin{matrix} 140 \\ 140 \\ 70 \end{matrix})$ . Dessen Länge ist $\sqrt{140^{2} + 140^{2} + 70^{2}} = \sqrt{44100} = 210$ (in m).

Den Steigungswinkel kann man einfach als Schnittwinkel der Geraden mit der (horizontalen) x₁-x₂-Ebene berechnen. Die x₁-x₂-Ebene hat die Gleichung x₃=0 und den Normalenvektor $\vec{n}$ = $(\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix})$ .
Daraus ergibt sich für den Steigungswinkel $α$ : sin( $α$ )= $\frac{| (\begin{matrix} 20 \\ 20 \\ 10 \end{matrix}) \circ (\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}) |}{| (\begin{matrix} 20 \\ 20 \\ 10 \end{matrix}) | \cdot | (\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}) |}$ = $\frac{| 20 \cdot 0 + 20 \cdot 0 + 10 \cdot 1 |}{\sqrt{20^{2} + 20^{2} + 10^{2}} \cdot \sqrt{0^{2} + 0^{2} + 1^{2}}}$
$= \frac{| 10 |}{\sqrt{900} \cdot \sqrt{1}} \approx 0.3333$ => $α$ =19.5°

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 10m (Änderung in der x₃-Koordinate). Um von 10 auf 210m (also 200m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also $\frac{200}{10}$ min = 20min lang steigen (bzw. sinken).

Bewegungsaufgabe mit geg. Geschwindigkeit

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-50 | -40 | 50)$ und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 108km/h in Richtung des Punktes B $(-130 | 40 | 90)$ (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt es im Punkt B an?
Wann hat das Flugzeug die (absolute) Höhe von 290m erreicht?
In welchem Punkt befindet es sich dann?

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Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in $\frac{m}{s}$ um: v= $\frac{108000 m}{3600 s}$ = 30 $\frac{m}{s}$ .
Die Länge des Vektors $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -80 \\ 80 \\ 40 \end{matrix})$ ist $\sqrt{{(-80)}^{2} + 80^{2} + 40^{2}} = \sqrt{14400} = 120$ (in m).
Bei einer Geschwindigkeit von 30 $\frac{m}{s}$ . braucht er für diese Strecke $\frac{120}{30}$ s = 4s.
Punkt B wird als nach 4s erreicht.

In einer s wird also der Vektor $\frac{1}{4}$ ⋅ $(\begin{matrix} -80 \\ 80 \\ 40 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -20 \\ 20 \\ 10 \end{matrix})$ zurückgelegt.
Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann so als Gerade g mit g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -50 \\ -40 \\ 50 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -20 \\ 20 \\ 10 \end{matrix})$ 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 50 auf 290m (also 240m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also $\frac{240}{10}$ s = 24s lang steigen (bzw. sinken) und ist dann im Punkt mit dem Ortsvektor $\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} -50 \\ -40 \\ 50 \end{matrix}) + 24 \cdot (\begin{matrix} -20 \\ 20 \\ 10 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -530 \\ 440 \\ 290 \end{matrix})$
Also im Punkt P $(-530 | 440 | 290)$ .

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 4min ist er im Punkt B $(162 | -228 | 48)$ angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 9,24 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4 min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 144 \\ -216 \\ 48 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{4}$ ⋅ $(\begin{matrix} 144 \\ -216 \\ 48 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 36 \\ -54 \\ 12 \end{matrix})$ zurück.
Die Geradengleichung $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 18 \\ -12 \\ 0 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 36 \\ -54 \\ 12 \end{matrix})$ 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 = $\sqrt{36^{2} + {(-54)}^{2} + 12^{2}} = \sqrt{4356} = 66$ .
Die Geschwindigkeit ist also v=66 $\frac{m}{\min}$
Für die Strecke von 9.24 km braucht es also $\frac{9240}{66}$ min = 140min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
$\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} 18 \\ -12 \\ 0 \end{matrix}) + 140 \cdot (\begin{matrix} 36 \\ -54 \\ 12 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 5058 \\ -7572 \\ 1680 \end{matrix})$ , also im Punkt P $(5058 | -7572 | 1680)$ .

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x₃-Koordinate, also 1680 (in m).

Zwei Objekte - gleiche Höhe

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-5 | -2 | 0,5)$ . Nach 2s ist sie im Punkt B $(1 | 0 | 1,5)$ angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 4 \\ 4 \\ 2,5 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -3 \\ -4 \\ 0,3 \end{matrix})$ . (alle Koordinaten in Meter; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn).
Wann sind die Drohne und die Seilbahngondel auf gleicher Höhe?
Wie weit ist Drohne von der Seilbahngondel entfernt, wenn sie genau senkrecht über der Seilbahn ist?
Berechne zu diesem Zeitpunkt, an dem die Drohne genau über der Seilbahn ist, den vertikalen Höhenunterschied zwischen Drohne und Seilbahn an dieser Stelle.

Lösung einblenden

Die Seilbahngondel F2 legt in 2s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 6 \\ 2 \\ 1 \end{matrix})$ zurück.
In 1s legt es also den Vektor $\frac{1}{2}$ ⋅ $(\begin{matrix} 6 \\ 2 \\ 1 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 3 \\ 1 \\ 0.5 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -5 \\ -2 \\ 0.5 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 3 \\ 1 \\ 0.5 \end{matrix})$ 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:

$0,3 t + 2,5$	=	$0,5 t + 0,5$	\| $- 2,5$ $- 0,5 t$
$- 0,2 t$	=	$- 2$	\|:( $- 0,2$ )
$t$	=	$10$

nach 10 s sind also die Drohne F1 und die Seilbahngondel F2 auf gleicher Höhe: $0,3 \cdot 10 + 2,5$ = 5.5 = $0,5 \cdot 10 + 0,5$

Die Drohne F1 ist genau dann unter/über der Flugbahn von F2, wenn die x₁- und x₂-Koordinaten der beiden Geradengleichungen übereinstimmen. Da aber höchstwahrscheinlich die Seilbahngondel F2 zu einem anderen Zeitpunkt genau unter oder über der Flugbahn von F1 ist, müssen wir verschiedene Parameter in die beiden Geradengleichungen einsetzen.

$(\begin{matrix} 4 \\ 4 \\ 2.5 \end{matrix}) + s \cdot (\begin{matrix} -3 \\ -4 \\ 0.3 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -5 \\ -2 \\ 0.5 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 3 \\ 1 \\ 0.5 \end{matrix})$ da ja aber nur die x₁- und x₂-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

$\begin{matrix} 4 & -3 s & = & -5 & +3 t \\ 4 & -4 s & = & -2 & +1 t \end{matrix}$

\begin{matrix} - 3 s & - 3 t & = & - 9 & (I) \\ - 4 s & - 1 t & = & - 6 & (II) \end{matrix}

\begin{matrix} - 3 s & - 3 t & = & - 9 & (I) \\ - 4 s & - 1 t & = & - 6 & (II) \end{matrix}

langsame Rechnung einblenden $4$ ·(I) $- 3$ ·(II)

\begin{matrix} - 3 s & - 3 t & = & - 9 & (I) \\ (- 12 + 12) s & + (- 12 + 3) t & = & (- 36 + 18) & (II) \end{matrix}

\begin{matrix} - 3 s & - 3 t & = & - 9 & (I) \\ - 9 t & = & - 18 & (II) \end{matrix}

Zeile (II):

\begin{matrix} - 9 t & = & - 18 \end{matrix}

t = $2$

eingesetzt in Zeile (I):

\begin{matrix} - 3 s & - 3 \cdot (2) & = & - 9 \end{matrix}

| +

6

- 3

s =

- 3

| :

(-3)

s = $1$

$L = {(1 | 2)}$

Das heißt also, dass die Drohne F1 nach 1s und die Seilbahngondel F2 nach 2s an diesem 'x₁-x₂-Schnittpunkt' ist.

die Drohne F1 ist also nach 1s bei $(\begin{matrix} 4 \\ 4 \\ 2.5 \end{matrix}) + 1 \cdot (\begin{matrix} -3 \\ -4 \\ 0.3 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 1 \\ 0 \\ 2.8 \end{matrix})$ , während die Seilbahngondel F2 nach 1s bei $(\begin{matrix} -5 \\ -2 \\ 0.5 \end{matrix}) + 1 \cdot (\begin{matrix} 3 \\ 1 \\ 0.5 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -2 \\ -1 \\ 1 \end{matrix})$ ist.

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P₁

(1 | 0 | 2.8)

und P₂

(-2 | -1 | 1)

:

\vec{P_{1} P_{2}}

=

(\begin{matrix} -2 - 1 \\ -1 - 0 \\ 1 - 2.8 \end{matrix})

=

(\begin{matrix} -3 \\ -1 \\ -1.8 \end{matrix})

Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P₁ und P₂
d=|

\vec{P_{1} P_{2}}

| =

| (\begin{matrix} -3 \\ -1 \\ -1.8 \end{matrix}) |

=

\sqrt{{(-3)}^{2} + {(-1)}^{2} + {(-1.8)}^{2}}

=

\sqrt{13.24}

≈ 3.6386810797321

Der Abstand der beiden Objekte nach 1s ist also $\sqrt{13.2496}$ m ≈ 3.64 m

Auch den scheinbaren Schnittpunkt, den der genau darunter stehende Beobachter sieht, berechnet man indem man die x₁- und x₂-Koordinaten der beiden Geradengleichungen gleichsetzt.

$(\begin{matrix} 4 \\ 4 \\ 2.5 \end{matrix}) + s \cdot (\begin{matrix} -3 \\ -4 \\ 0.3 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -5 \\ -2 \\ 0.5 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 3 \\ 1 \\ 0.5 \end{matrix})$ da ja aber nur die x₁- und x₂-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

$\begin{matrix} 4 & -3 s & = & -5 & +3 t \\ 4 & -4 s & = & -2 & +1 t \end{matrix}$

\begin{matrix} - 3 s & - 3 t & = & - 9 & (I) \\ - 4 s & - 1 t & = & - 6 & (II) \end{matrix}

\begin{matrix} - 3 s & - 3 t & = & - 9 & (I) \\ - 4 s & - 1 t & = & - 6 & (II) \end{matrix}

langsame Rechnung einblenden $4$ ·(I) $- 3$ ·(II)

\begin{matrix} - 3 s & - 3 t & = & - 9 & (I) \\ (- 12 + 12) s & + (- 12 + 3) t & = & (- 36 + 18) & (II) \end{matrix}

\begin{matrix} - 3 s & - 3 t & = & - 9 & (I) \\ - 9 t & = & - 18 & (II) \end{matrix}

Zeile (II):

\begin{matrix} - 9 t & = & - 18 \end{matrix}

t = $2$

eingesetzt in Zeile (I):

\begin{matrix} - 3 s & - 3 \cdot (2) & = & - 9 \end{matrix}

| +

6

- 3

s =

- 3

| :

(-3)

s = $1$

$L = {(1 | 2)}$

Das heißt also, dass die Drohne F1 nach 1s und die Seilbahngondel F2 nach 2s an diesem 'x₁-x₂-Schnittpunkt' ist.

die Drohne F1 ist also nach 1s bei $(\begin{matrix} 4 \\ 4 \\ 2.5 \end{matrix}) + 1 \cdot (\begin{matrix} -3 \\ -4 \\ 0.3 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 1 \\ 0 \\ 2.8 \end{matrix})$ , während die Seilbahngondel F2 nach 2s bei $(\begin{matrix} -5 \\ -2 \\ 0.5 \end{matrix}) + 2 \cdot (\begin{matrix} 3 \\ 1 \\ 0.5 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 1 \\ 0 \\ 1.5 \end{matrix})$ ist.

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

2.8 - 1.5 = 1.3 m

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 7 \\ -4 \\ -2 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 11 \\ -2 \\ -10 \end{matrix})$ . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn).
Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-13 | 6 | 22)$ . Nach 1s ist sie im Punkt B $(-1 | 2 | 12)$ angelangt.
Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 2s von einander entfernt?
Berechne den kleinsten Abstand, den die Drohne von der Seilbahn haben kann.
Zu welchem Zeitpunkt kommen sich die Drohne und die Gondel der Seilbahn am nächsten? Wie weit sind sie dann voneinander entfernt?

Lösung einblenden

Die Seilbahngondel legt in 1s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 12 \\ -4 \\ -10 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -13 \\ 6 \\ 22 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 12 \\ -4 \\ -10 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 2s an der Stelle P1 $(\begin{matrix} 7 \\ -4 \\ -2 \end{matrix}) + 2 \cdot (\begin{matrix} 11 \\ -2 \\ -10 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 29 \\ -8 \\ -22 \end{matrix})$ und die Seilbahngondel an der Stelle P2 $(\begin{matrix} -13 \\ 6 \\ 22 \end{matrix}) + 2 \cdot (\begin{matrix} 12 \\ -4 \\ -10 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 11 \\ -2 \\ 2 \end{matrix})$ .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P₁

(29 | -8 | -22)

und P₂

(11 | -2 | 2)

:

\vec{P_{1} P_{2}}

=

(\begin{matrix} 11 - 29 \\ -2 - (-8) \\ 2 - (-22) \end{matrix})

=

(\begin{matrix} -18 \\ 6 \\ 24 \end{matrix})

Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P₁ und P₂
d=|

\vec{P_{1} P_{2}}

| =

| (\begin{matrix} -18 \\ 6 \\ 24 \end{matrix}) |

=

\sqrt{{(-18)}^{2} + 6^{2} + 24^{2}}

=

\sqrt{936}

≈ 30.594117081557

Der Abstand ist also ca. 30.59 m.

Um den kleinsten Abstand der beiden Bewegungsbahnen zu erhalten müssen wir die klassische Rechnung zur Bestimmung des Abstands zweier windschieder Geraden durchführen:

Zuerst bilden wir eine Ebene, welche die Gerade h: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -13 \\ 6 \\ 22 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 12 \\ -4 \\ -10 \end{matrix})$ enthält und parallel zur Geraden g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 7 \\ -4 \\ -2 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 11 \\ -2 \\ -10 \end{matrix})$ ist, also $\vec{x} = (\begin{matrix} -13 \\ 6 \\ 22 \end{matrix}) + r \cdot (\begin{matrix} 12 \\ -4 \\ -10 \end{matrix}) + s \cdot (\begin{matrix} 11 \\ -2 \\ -10 \end{matrix})$
Der Normalenvektor dieser Ebene ist der Normalenvektor auf die beiden Richtungsvektoren der Geraden.

\vec{n} = (\begin{matrix} 11 \\ -2 \\ -10 \end{matrix}) \times (\begin{matrix} 12 \\ -4 \\ -10 \end{matrix}) = (\begin{matrix} - 2 \cdot (- 10) - (- 10) \cdot (- 4) \\ - 10 \cdot 12 - 11 \cdot (- 10) \\ 11 \cdot (- 4) - (- 2) \cdot 12 \end{matrix}) = (\begin{matrix} 20 - 40 \\ - 120 + 110 \\ - 44 + 24 \end{matrix}) = (\begin{matrix} - 20 \\ - 10 \\ - 20 \end{matrix})

= -10⋅

(\begin{matrix} 2 \\ 1 \\ 2 \end{matrix})

Wenn wir den Aufpunkt von h A_h $(-13 | 6 | 22)$ in die allgemeine Ebenengleichung $2 x_{1} + x_{2} + 2 x_{3} = d$ einsetzen erhalten wir für diese Hilfsebene die Koordinatengleichung:

2 x_{1} + x_{2} + 2 x_{3} = 24

Nun können wir den Abstand zwischen der Geraden g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 7 \\ -4 \\ -2 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 11 \\ -2 \\ -10 \end{matrix})$ und dieser (zu g parallelen) Ebene berechnen, indem wir aus der Geraden einen Punkt, am besten den Aufpunkt $(7 | -4 | -2)$ , nehmen und den Abstand zwischen diesem Punkt und der Ebene mit Hilfe der Hesse-Formel (Abstand Punkt-Ebene) berechnen. Dieser Abstand ist auch der Abstand der beiden windschiefen Geraden zueinander.

Wir berechnen den Abstand zwischen Punkt und Ebene mittels der Hesse'schen Normalenform.

d =

\frac{| 2 \cdot 7 + 1 \cdot (- 4) + 2 \cdot (- 2) - 24 |}{\sqrt{2^{2} + 1^{2} + 2^{2}}}

=

\frac{| -18 |}{\sqrt{9}}

=

\frac{18}{3}

= 6

Alternativer (kürzerer) Lösungsweg mit Formel einblenden

Wenn man die Hesse'sche Normalenform in Vektorschreibweise mit A_h scheibt:
$\frac{| [\vec{x} - (\begin{matrix} -13 \\ 6 \\ 22 \end{matrix})] \circ (\begin{matrix} 2 \\ 1 \\ 2 \end{matrix}) |}{\sqrt{2^{2} + 1^{2} + 2^{2}}}$ , kann man ja A_g (den Aufpunkt von g) direkt für x einsetzen:
$d =$ $\frac{| [(\begin{matrix} 7 \\ -4 \\ -2 \end{matrix}) - (\begin{matrix} -13 \\ 6 \\ 22 \end{matrix})] \circ (\begin{matrix} 2 \\ 1 \\ 2 \end{matrix}) |}{\sqrt{2^{2} + 1^{2} + 2^{2}}}$ = $\frac{| (\begin{matrix} 20 \\ -10 \\ -24 \end{matrix}) \circ (\begin{matrix} 2 \\ 1 \\ 2 \end{matrix}) |}{\sqrt{2^{2} + 1^{2} + 2^{2}}}$ = $\frac{| 20 \cdot 2 + (-10) \cdot 1 + (-24) \cdot 2 |}{\sqrt{4 + 1 + 4}}$ = $\frac{| -18 |}{\sqrt{9}}$ = $\frac{18}{3}$ = $6$

Der Abstand der beiden Bewegungsbahnen beträgt somit 6 m

Um aber den geringsten Abstand der beiden Bewegungsobjekte zu berechnen, müssten wir den Abstand der beiden Positionen zu einer Zeit t bestimmen. Die aktuelle Position zum Zeitpunkt t lässt sich durch den allgemeinen Geradenpunkt darstellen.

Wir suchen also das t, so dass der Abstand zwischen ${G1}_{t} (7 + 11 t | -4 - 2 t | -2 - 10 t)$ und ${G2}_{t} (-13 + 12 t | 6 - 4 t | 22 - 10 t)$ minimal wird.

d(t)= $| (\begin{matrix} -13 + 12 t \\ 6 - 4 t \\ 22 - 10 t \end{matrix}) - (\begin{matrix} 7 + 11 t \\ -4 - 2 t \\ -2 - 10 t \end{matrix}) |$ = $| (\begin{matrix} -20 + 1 t \\ 10 - 2 t \\ 24 + 0 t \end{matrix}) |$ soll also minimal werden.

d(t)= $\sqrt{{(t - 20)}^{2} + {(- 2 t + 10)}^{2} + {(0 + 24)}^{2}}$
= $\sqrt{t^{2} - 40 t + 400 + 4 t^{2} - 40 t + 100 + 576}$
= $\sqrt{5 t^{2} - 80 t + 1 076}$

da $a < b \Leftrightarrow$ $\sqrt{a}$ < $\sqrt{b}$ können wir auch das Minimum der quadratischen Funktion unter der Wurzel bestimmen, um die gesuchte Zeit t zu erhalten. Dazu leiten wir diese erst mal zwei mal ab:

$f'(t) =$ $10 x - 80 + 0$

$f''(t) =$ $10 + 0 + 0$

mit der notwendigen Bedingung f'(t)=0 erhält man t= $8$ als potentielle Extremstelle.

Wegen $f''(t) =$ $10 + 0 + 0$ >0 ist also der Tiefpunkt bei t= $8$ .

der minimale Abstand ist also d( $8$ )= $\sqrt{5 \cdot 8^{2} - 80 \cdot 8 + 1 076}$ = $\sqrt{756}$ ≈ 27.5 (in m)

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -5 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 0 \\ -5 \\ 5 \end{matrix})$ . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(2 | 17 | -16)$ . Nach 5min ist es im Punkt B $(-8 | -8 | 14)$ angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 4min von einander entfernt?
Wie groß ist der kleinste Abstand der beiden Flugbahnen?
Zu welchem Zeitpunkt kommen sich die beiden Flugzeuge am nächsten? Wie weit sind sie dann voneinander entfernt?

Lösung einblenden

Das Flugzeug F2 legt in 5min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -10 \\ -25 \\ 30 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{5}$ ⋅ $(\begin{matrix} -10 \\ -25 \\ 30 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -2 \\ -5 \\ 6 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 2 \\ 17 \\ -16 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -2 \\ -5 \\ 6 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Das Flugzeug F1 ist nach 4min an der Stelle P1 $(\begin{matrix} -5 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}) + 4 \cdot (\begin{matrix} 0 \\ -5 \\ 5 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -5 \\ -20 \\ 20 \end{matrix})$ und das Flugzeug F2 an der Stelle P2 $(\begin{matrix} 2 \\ 17 \\ -16 \end{matrix}) + 4 \cdot (\begin{matrix} -2 \\ -5 \\ 6 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -6 \\ -3 \\ 8 \end{matrix})$ .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P₁

(-5 | -20 | 20)

und P₂

(-6 | -3 | 8)

:

\vec{P_{1} P_{2}}

=

(\begin{matrix} -6 - (-5) \\ -3 - (-20) \\ 8 - 20 \end{matrix})

=

(\begin{matrix} -1 \\ 17 \\ -12 \end{matrix})

Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P₁ und P₂
d=|

\vec{P_{1} P_{2}}

| =

| (\begin{matrix} -1 \\ 17 \\ -12 \end{matrix}) |

=

\sqrt{{(-1)}^{2} + 17^{2} + {(-12)}^{2}}

=

\sqrt{434}

≈ 20.832666656

Der Abstand ist also ca. 20.83 km.

Um den kleinsten Abstand der beiden Bewegungsbahnen zu erhalten müssen wir die klassische Rechnung zur Bestimmung des Abstands zweier windschieder Geraden durchführen:

Zuerst bilden wir eine Ebene, welche die Gerade h: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 2 \\ 17 \\ -16 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -2 \\ -5 \\ 6 \end{matrix})$ enthält und parallel zur Geraden g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -5 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 0 \\ -5 \\ 5 \end{matrix})$ ist, also $\vec{x} = (\begin{matrix} 2 \\ 17 \\ -16 \end{matrix}) + r \cdot (\begin{matrix} -2 \\ -5 \\ 6 \end{matrix}) + s \cdot (\begin{matrix} 0 \\ -5 \\ 5 \end{matrix})$
Der Normalenvektor dieser Ebene ist der Normalenvektor auf die beiden Richtungsvektoren der Geraden.

\vec{n} = (\begin{matrix} 0 \\ -5 \\ 5 \end{matrix}) \times (\begin{matrix} -2 \\ -5 \\ 6 \end{matrix}) = (\begin{matrix} - 5 \cdot 6 - 5 \cdot (- 5) \\ 5 \cdot (- 2) - 0 \cdot 6 \\ 0 \cdot (- 5) - (- 5) \cdot (- 2) \end{matrix}) = (\begin{matrix} - 30 + 25 \\ - 10 + 0 \\ 0 - 10 \end{matrix}) = (\begin{matrix} - 5 \\ - 10 \\ - 10 \end{matrix})

= -5⋅

(\begin{matrix} 1 \\ 2 \\ 2 \end{matrix})

Wenn wir den Aufpunkt von h A_h $(2 | 17 | -16)$ in die allgemeine Ebenengleichung $x_{1} + 2 x_{2} + 2 x_{3} = d$ einsetzen erhalten wir für diese Hilfsebene die Koordinatengleichung:

x_{1} + 2 x_{2} + 2 x_{3} = 4

Nun können wir den Abstand zwischen der Geraden g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -5 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 0 \\ -5 \\ 5 \end{matrix})$ und dieser (zu g parallelen) Ebene berechnen, indem wir aus der Geraden einen Punkt, am besten den Aufpunkt $(-5 | 0 | 0)$ , nehmen und den Abstand zwischen diesem Punkt und der Ebene mit Hilfe der Hesse-Formel (Abstand Punkt-Ebene) berechnen. Dieser Abstand ist auch der Abstand der beiden windschiefen Geraden zueinander.

Wir berechnen den Abstand zwischen Punkt und Ebene mittels der Hesse'schen Normalenform.

d =

\frac{| 1 \cdot (- 5) + 2 \cdot 0 + 2 \cdot 0 - 4 |}{\sqrt{1^{2} + 2^{2} + 2^{2}}}

=

\frac{| -9 |}{\sqrt{9}}

=

\frac{9}{3}

= 3

Alternativer (kürzerer) Lösungsweg mit Formel einblenden

Wenn man die Hesse'sche Normalenform in Vektorschreibweise mit A_h scheibt:
$\frac{| [\vec{x} - (\begin{matrix} 2 \\ 17 \\ -16 \end{matrix})] \circ (\begin{matrix} 1 \\ 2 \\ 2 \end{matrix}) |}{\sqrt{1^{2} + 2^{2} + 2^{2}}}$ , kann man ja A_g (den Aufpunkt von g) direkt für x einsetzen:
$d =$ $\frac{| [(\begin{matrix} -5 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}) - (\begin{matrix} 2 \\ 17 \\ -16 \end{matrix})] \circ (\begin{matrix} 1 \\ 2 \\ 2 \end{matrix}) |}{\sqrt{1^{2} + 2^{2} + 2^{2}}}$ = $\frac{| (\begin{matrix} -7 \\ -17 \\ 16 \end{matrix}) \circ (\begin{matrix} 1 \\ 2 \\ 2 \end{matrix}) |}{\sqrt{1^{2} + 2^{2} + 2^{2}}}$ = $\frac{| (-7) \cdot 1 + (-17) \cdot 2 + 16 \cdot 2 |}{\sqrt{1 + 4 + 4}}$ = $\frac{| -9 |}{\sqrt{9}}$ = $\frac{9}{3}$ = $3$

Der Abstand der beiden Bewegungsbahnen beträgt somit 3 km

Um aber den geringsten Abstand der beiden Bewegungsobjekte zu berechnen, müssten wir den Abstand der beiden Positionen zu einer Zeit t bestimmen. Die aktuelle Position zum Zeitpunkt t lässt sich durch den allgemeinen Geradenpunkt darstellen.

Wir suchen also das t, so dass der Abstand zwischen ${G1}_{t} (-5 + 0 t | 0 - 5 t | 0 + 5 t)$ und ${G2}_{t} (2 - 2 t | 17 - 5 t | -16 + 6 t)$ minimal wird.

d(t)= $| (\begin{matrix} 2 - 2 t \\ 17 - 5 t \\ -16 + 6 t \end{matrix}) - (\begin{matrix} -5 + 0 t \\ 0 - 5 t \\ 0 + 5 t \end{matrix}) |$ = $| (\begin{matrix} 7 - 2 t \\ 17 + 0 t \\ -16 + 1 t \end{matrix}) |$ soll also minimal werden.

d(t)= $\sqrt{{(- 2 t + 7)}^{2} + {(0 + 17)}^{2} + {(t - 16)}^{2}}$
= $\sqrt{4 t^{2} - 28 t + 49 + 289 + t^{2} - 32 t + 256}$
= $\sqrt{5 t^{2} - 60 t + 594}$

da $a < b \Leftrightarrow$ $\sqrt{a}$ < $\sqrt{b}$ können wir auch das Minimum der quadratischen Funktion unter der Wurzel bestimmen, um die gesuchte Zeit t zu erhalten. Dazu leiten wir diese erst mal zwei mal ab:

$f'(t) =$ $10 x - 60 + 0$

$f''(t) =$ $10 + 0 + 0$

mit der notwendigen Bedingung f'(t)=0 erhält man t= $6$ als potentielle Extremstelle.

Wegen $f''(t) =$ $10 + 0 + 0$ >0 ist also der Tiefpunkt bei t= $6$ .

der minimale Abstand ist also d( $6$ )= $\sqrt{5 \cdot 6^{2} - 60 \cdot 6 + 594}$ = $\sqrt{414}$ ≈ 20.3 (in km)

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände (ohne windschief)

Beispiel:

Flugzeug Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -10 \\ 5 \\ -1 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 7 \\ -12 \\ 7 \end{matrix})$ . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-12 | 24 | -1)$ . Nach 5min ist es im Punkt B $(28 | -36 | 29)$ angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 1min von einander entfernt?
Zu welchem Zeitpunkt kommen sich die beiden Flugzeuge am nächsten? Wie weit sind sie dann voneinander entfernt?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 5min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 40 \\ -60 \\ 30 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{5}$ ⋅ $(\begin{matrix} 40 \\ -60 \\ 30 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 8 \\ -12 \\ 6 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -12 \\ 24 \\ -1 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 8 \\ -12 \\ 6 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 1min an der Stelle P1 $(\begin{matrix} -10 \\ 5 \\ -1 \end{matrix}) + 1 \cdot (\begin{matrix} 7 \\ -12 \\ 7 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -3 \\ -7 \\ 6 \end{matrix})$ und F2 an der Stelle P2 $(\begin{matrix} -12 \\ 24 \\ -1 \end{matrix}) + 1 \cdot (\begin{matrix} 8 \\ -12 \\ 6 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -4 \\ 12 \\ 5 \end{matrix})$ .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P₁

(-3 | -7 | 6)

und P₂

(-4 | 12 | 5)

:

\vec{P_{1} P_{2}}

=

(\begin{matrix} -4 - (-3) \\ 12 - (-7) \\ 5 - 6 \end{matrix})

=

(\begin{matrix} -1 \\ 19 \\ -1 \end{matrix})

Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P₁ und P₂
d=|

\vec{P_{1} P_{2}}

| =

| (\begin{matrix} -1 \\ 19 \\ -1 \end{matrix}) |

=

\sqrt{{(-1)}^{2} + 19^{2} + {(-1)}^{2}}

=

\sqrt{363}

≈ 19.052558883258

Der Abstand ist also ca. 19.05 km.

Um aber den geringsten Abstand der beiden Bewegungsobjekte zu berechnen, müssten wir den Abstand der beiden Positionen zu einer Zeit t bestimmen. Die aktuelle Position zum Zeitpunkt t lässt sich durch den allgemeinen Geradenpunkt darstellen.

Wir suchen also das t, so dass der Abstand zwischen ${G1}_{t} (-10 + 7 t | 5 - 12 t | -1 + 7 t)$ und ${G2}_{t} (-12 + 8 t | 24 - 12 t | -1 + 6 t)$ minimal wird.

d(t)= $| (\begin{matrix} -12 + 8 t \\ 24 - 12 t \\ -1 + 6 t \end{matrix}) - (\begin{matrix} -10 + 7 t \\ 5 - 12 t \\ -1 + 7 t \end{matrix}) |$ = $| (\begin{matrix} -2 + 1 t \\ 19 + 0 t \\ 0 - 1 t \end{matrix}) |$ soll also minimal werden.

d(t)= $\sqrt{{(t - 2)}^{2} + {(0 + 19)}^{2} + {(- t + 0)}^{2}}$
= $\sqrt{t^{2} - 4 t + 4 + 361 + t^{2}}$
= $\sqrt{2 t^{2} - 4 t + 365}$

da $a < b \Leftrightarrow$ $\sqrt{a}$ < $\sqrt{b}$ können wir auch das Minimum der quadratischen Funktion unter der Wurzel bestimmen, um die gesuchte Zeit t zu erhalten. Dazu leiten wir diese erst mal zwei mal ab:

$f'(t) =$ $4 x - 4 + 0$

$f''(t) =$ $4 + 0 + 0$

mit der notwendigen Bedingung f'(t)=0 erhält man t= $1$ als potentielle Extremstelle.

Wegen $f''(t) =$ $4 + 0 + 0$ >0 ist also der Tiefpunkt bei t= $1$ .

der minimale Abstand ist also d( $1$ )= $\sqrt{2 \cdot 1^{2} - 4 \cdot 1 + 365}$ = $\sqrt{363}$ ≈ 19.1

Nicht lineare Bewegung

Beispiel:

Ein Kugelstoßer stößt eine Kugel auf einer Kugelstoßanlage, die durch die x₁x₂-Ebene beschrieben wird. Die Bahn der Kugel kann mithilfe der Punkte X_t( $9 t - 2$ | $12 t - 3$ | $- t^{2} - 2,2 t + 2,4$ ) beschrieben werden; dabei ist t die seit dem Abstoß vergangene Zeit in Sekunden (Eine Längeneinheit im Koordinatensystem entspricht 1 m in der Realität). Auf dieser Bahn fliegt die Kugel auf die Kugelstoßanlage in den vorgesehenen Sektor. Der Punkt A $(-2 | -3 | 0)$ liegt direkt auf dem Rand des Kugelstoßkreises.
Berechne die Weite, die für den Stoß gemessen wird.

Lösung einblenden

Zuerst berechnen den t-Wert, an dem die Kugel auf die x₁x₂-Ebene trifft, also wenn x₃= 0 ist:

$- t^{2} - 2,2 t + 2,4$ = 0

eingesetzt in die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel):

x_1,2 = $\frac{+ 2,2 \pm \sqrt{{(- 2,2)}^{2} - 4 \cdot (- 1) \cdot 2,4}}{2 \cdot (- 1)}$

x_1,2 = $\frac{+ 2,2 \pm \sqrt{4,84 + 9,6}}{- 2}$

x_1,2 = $\frac{+ 2,2 \pm \sqrt{14,44}}{- 2}$

x₁ = $\frac{2,2 + \sqrt{14,44}}{- 2}$ = $\frac{2,2+3,8}{- 2}$ = $\frac{6}{- 2}$ = $- 3$

x₂ = $\frac{2,2 - \sqrt{14,44}}{- 2}$ = $\frac{2,2-3,8}{- 2}$ = $\frac{- 1,6}{- 2}$ = $0,8$

Das heißt also, dass die Kugel nach 0,8 s in der x₁x₂-Ebene angekommen ist. Wenn wir t = 0,8 in den Punkt X_t einsetzen, erhalten wir L( $9 \cdot 0,8 - 2$ | $12 \cdot 0,8 - 3$ | $- {0,8}^{2} - 2,2 \cdot 0,8 + 2,4$ ) = L $(5.2 | 6.6 | 0)$ als den Landepunkt.

Da ja die Kugel im Punkt X₀ $(-2 | -3 | 2.4)$ , also direkt über A $(-2 | -3 | 0)$ losgeflogen ist, können wir die gesuchte Weite einfach als Länge des
Vektors $\vec{AL}$ = $(\begin{matrix} 5.2 - (-2) \\ 6.6 - (-3) \\ 0 - 0 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 7.2 \\ 9.6 \\ 0 \end{matrix})$ berechnen:

d = $\sqrt{{7.2}^{2} + {9.6}^{2} + 0^{2}}$ = 12

Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

nach x Minuten

Bewegungsaufgabe mit geg. Geschwindigkeit

Höhe nach x Kilometern

Zwei Objekte - gleiche Höhe

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände (ohne windschief)

Nicht lineare Bewegung