Pestalozzi Gymnasium Biberach EduRandomtasks

nach x Minuten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-250 | -200 | 150)$ (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B $(1100 | -1100 | 450)$ angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?
Wo ist die Rakete nach 9s?
Wie weit ist die Rakete dann geflogen?
Berechne den Winkel mit dem die Rakete steigt?
Wann hat die Rakete die Höhe von 4050m erreicht?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 1350 \\ -900 \\ 300 \end{matrix})$ zurück.
In 1s legt es also den Vektor $\frac{1}{3}$ ⋅ $(\begin{matrix} 1350 \\ -900 \\ 300 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 450 \\ -300 \\ 100 \end{matrix})$ zurück. Dieser Vektor hat die Länge = $\sqrt{450^{2} + {(-300)}^{2} + 100^{2}} = \sqrt{302500} = 550$ .
Die Geschwindigkeit ist also v=550 $\frac{m}{s}$ = 1980 $\frac{km}{h}$

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -250 \\ -200 \\ 150 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 450 \\ -300 \\ 100 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 9 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
$\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} -250 \\ -200 \\ 150 \end{matrix}) + 9 \cdot (\begin{matrix} 450 \\ -300 \\ 100 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 3800 \\ -2900 \\ 1050 \end{matrix})$ , also im Punkt P $(3800 | -2900 | 1050)$ .

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A $(-250 | -200 | 150)$ nach P $(3800 | -2900 | 1050)$ bewegt, also um den Vektor $\vec{AP}$ = $(\begin{matrix} 4050 \\ -2700 \\ 900 \end{matrix})$ . Dessen Länge ist $\sqrt{4050^{2} + {(-2700)}^{2} + 900^{2}} = \sqrt{24502500} = 4950$ (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( $α$ )= $\frac{| (\begin{matrix} 450 \\ -300 \\ 100 \end{matrix}) \circ (\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}) |}{| (\begin{matrix} 450 \\ -300 \\ 100 \end{matrix}) | \cdot | (\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}) |}$ = $\frac{| 450 \cdot 0 + (-300) \cdot 0 + 100 \cdot 1 |}{\sqrt{450^{2} + {(-300)}^{2} + 100^{2}} \cdot \sqrt{0^{2} + 0^{2} + 1^{2}}}$
$= \frac{| 100 |}{\sqrt{302500} \cdot \sqrt{1}} \approx 0.1818$ => $α$ =10.5°

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 100m (Änderung in der x₃-Koordinate). Um von 150 auf 4050m (also 3900m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also $\frac{3900}{100}$ s = 39s lang steigen (bzw. sinken).

Bewegungsaufgabe mit geg. Geschwindigkeit

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-250 | 250 | 50)$ und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1260km/h in Richtung des Punktes B $(-550 | 850 | 250)$ (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt sie im Punkt B an?
Wann hat die Rakete die (absolute) Höhe von 1450m erreicht? In welchem Punkt befindet es sich dann?

Lösung einblenden

Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in $\frac{m}{s}$ um: v= $\frac{1260000 m}{3600 s}$ = 350 $\frac{m}{s}$ .
Die Länge des Vektors $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -300 \\ 600 \\ 200 \end{matrix})$ ist $\sqrt{{(-300)}^{2} + 600^{2} + 200^{2}} = \sqrt{490000} = 700$ (in m).
Bei einer Geschwindigkeit von 350 $\frac{m}{s}$ . braucht er für diese Strecke $\frac{700}{350}$ s = 2s.
Punkt B wird als nach 2s erreicht.

In einer s wird also der Vektor $\frac{1}{2}$ ⋅ $(\begin{matrix} -300 \\ 600 \\ 200 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -150 \\ 300 \\ 100 \end{matrix})$ zurückgelegt.
Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann so als Gerade g mit g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -250 \\ 250 \\ 50 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -150 \\ 300 \\ 100 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 100m (Änderung in der x₃-Koordinate). Um von 50 auf 1450m (also 1400m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also $\frac{1400}{100}$ s = 14s lang steigen (bzw. sinken) und ist dann im Punkt mit dem Ortsvektor $\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} -250 \\ 250 \\ 50 \end{matrix}) + 14 \cdot (\begin{matrix} -150 \\ 300 \\ 100 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -2350 \\ 4450 \\ 1450 \end{matrix})$
Also im Punkt P $(-2350 | 4450 | 1450)$ .

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(30 | -30 | 50)$ (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B $(120 | -90 | 70)$ angelangt.
Welche Höhe hat das Flugzeug, wenn es 19,8 km zurückgelegt hat?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 1 s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 90 \\ -60 \\ 20 \end{matrix})$ zurück.
Die Geradengleichung $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 30 \\ -30 \\ 50 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 90 \\ -60 \\ 20 \end{matrix})$ 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 = $\sqrt{90^{2} + {(-60)}^{2} + 20^{2}} = \sqrt{12100} = 110$ .
Die Geschwindigkeit ist also v=110 $\frac{m}{s}$
Für die Strecke von 19.8 km braucht es also $\frac{19800}{110}$ s = 180s
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
$\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} 30 \\ -30 \\ 50 \end{matrix}) + 180 \cdot (\begin{matrix} 90 \\ -60 \\ 20 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 16230 \\ -10830 \\ 3650 \end{matrix})$ , also im Punkt P $(16230 | -10830 | 3650)$ .

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x₃-Koordinate, also 3650 (in m).

Zwei Objekte - gleiche Höhe

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 10 \\ -5 \\ 0,5 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 9 \\ -2 \\ 0,5 \end{matrix})$ . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(55 | -11 | 2,5)$ . Nach 4h ist er im Punkt B $(91 | -35 | 3,7)$ 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?
Wie weit sind die beiden Heißluftballone von einander entfernt, wenn F1 genau senkrecht über oder unter der Flugbahn von F2 ist?
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

Das Flugzeug F2 legt in 4h den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 36 \\ -24 \\ 1.2 \end{matrix})$ zurück.
In 1h legt es also den Vektor $\frac{1}{4}$ ⋅ $(\begin{matrix} 36 \\ -24 \\ 1.2 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 9 \\ -6 \\ 0.3 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 55 \\ -11 \\ 2.5 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 9 \\ -6 \\ 0.3 \end{matrix})$ 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:

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

nach 10 h sind also das Flugzeug F1 und das Flugzeug F2 auf gleicher Höhe: $0,5 \cdot 10 + 0,5$ = 5.5 = $0,3 \cdot 10 + 2,5$

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

$(\begin{matrix} 10 \\ -5 \\ 0.5 \end{matrix}) + s \cdot (\begin{matrix} 9 \\ -2 \\ 0.5 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 55 \\ -11 \\ 2.5 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 9 \\ -6 \\ 0.3 \end{matrix})$ da ja aber nur die x₁- und x₂-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

$\begin{matrix} 10 & +9 s & = & 55 & +9 t \\ -5 & -2 s & = & -11 & -6 t \end{matrix}$

\begin{matrix} 9 s & - 9 t & = & 45 & (I) \\ - 2 s & + 6 t & = & - 6 & (II) \end{matrix}

\begin{matrix} 9 s & - 9 t & = & 45 & (I) \\ - 2 s & + 6 t & = & - 6 & (II) \end{matrix}

langsame Rechnung einblenden $2$ ·(I) + $9$ ·(II)

\begin{matrix} 9 s & - 9 t & = & 45 & (I) \\ (18 - 18) s & + (- 18 + 54) t & = & (90 - 54) & (II) \end{matrix}

\begin{matrix} 9 s & - 9 t & = & 45 & (I) \\ + 36 t & = & 36 & (II) \end{matrix}

Zeile (II):

\begin{matrix} + 36 t & = & 36 \end{matrix}

t = $1$

eingesetzt in Zeile (I):

\begin{matrix} 9 s & - 9 \cdot (1) & = & 45 \end{matrix}

| +

9

9

s =

54

| : 9

s = $6$

$L = {(6 | 1)}$

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 6h und das Flugzeug F2 nach 1h an diesem 'x₁-x₂-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 6h bei $(\begin{matrix} 10 \\ -5 \\ 0.5 \end{matrix}) + 6 \cdot (\begin{matrix} 9 \\ -2 \\ 0.5 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 64 \\ -17 \\ 3.5 \end{matrix})$ , während das Flugzeug F2 nach 6h bei $(\begin{matrix} 55 \\ -11 \\ 2.5 \end{matrix}) + 6 \cdot (\begin{matrix} 9 \\ -6 \\ 0.3 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 109 \\ -47 \\ 4.3 \end{matrix})$ ist.

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P₁

(64 | -17 | 3.5)

und P₂

(109 | -47 | 4.3)

:

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

=

(\begin{matrix} 109 - 64 \\ -47 - (-17) \\ 4.3 - 3.5 \end{matrix})

=

(\begin{matrix} 45 \\ -30 \\ 0.8 \end{matrix})

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

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

| =

| (\begin{matrix} 45 \\ -30 \\ 0.8 \end{matrix}) |

=

\sqrt{45^{2} + {(-30)}^{2} + {0.8}^{2}}

=

\sqrt{2925.64}

≈ 54.089185610434

Der Abstand der beiden Objekte nach 6h ist also $\sqrt{2925.7281}$ km ≈ 54.09 km

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

$(\begin{matrix} 10 \\ -5 \\ 0.5 \end{matrix}) + s \cdot (\begin{matrix} 9 \\ -2 \\ 0.5 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 55 \\ -11 \\ 2.5 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 9 \\ -6 \\ 0.3 \end{matrix})$ da ja aber nur die x₁- und x₂-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

$\begin{matrix} 10 & +9 s & = & 55 & +9 t \\ -5 & -2 s & = & -11 & -6 t \end{matrix}$

\begin{matrix} 9 s & - 9 t & = & 45 & (I) \\ - 2 s & + 6 t & = & - 6 & (II) \end{matrix}

\begin{matrix} 9 s & - 9 t & = & 45 & (I) \\ - 2 s & + 6 t & = & - 6 & (II) \end{matrix}

langsame Rechnung einblenden $2$ ·(I) + $9$ ·(II)

\begin{matrix} 9 s & - 9 t & = & 45 & (I) \\ (18 - 18) s & + (- 18 + 54) t & = & (90 - 54) & (II) \end{matrix}

\begin{matrix} 9 s & - 9 t & = & 45 & (I) \\ + 36 t & = & 36 & (II) \end{matrix}

Zeile (II):

\begin{matrix} + 36 t & = & 36 \end{matrix}

t = $1$

eingesetzt in Zeile (I):

\begin{matrix} 9 s & - 9 \cdot (1) & = & 45 \end{matrix}

| +

9

9

s =

54

| : 9

s = $6$

$L = {(6 | 1)}$

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 6h und das Flugzeug F2 nach 1h an diesem 'x₁-x₂-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 6h bei $(\begin{matrix} 10 \\ -5 \\ 0.5 \end{matrix}) + 6 \cdot (\begin{matrix} 9 \\ -2 \\ 0.5 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 64 \\ -17 \\ 3.5 \end{matrix})$ , während das Flugzeug F2 nach 1h bei $(\begin{matrix} 55 \\ -11 \\ 2.5 \end{matrix}) + 1 \cdot (\begin{matrix} 9 \\ -6 \\ 0.3 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 64 \\ -17 \\ 2.8 \end{matrix})$ ist.

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

3.5 - 2.8 = 0.7 km

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 8 \\ -9 \\ 2 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -5 \\ 5 \\ 0 \end{matrix})$ . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(29 | -21 | 11)$ . Nach 4min ist es im Punkt B $(9 | 3 | 3)$ angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 3min 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 4min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -20 \\ 24 \\ -8 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{4}$ ⋅ $(\begin{matrix} -20 \\ 24 \\ -8 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -5 \\ 6 \\ -2 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 29 \\ -21 \\ 11 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -5 \\ 6 \\ -2 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Das Flugzeug F1 ist nach 3min an der Stelle P1 $(\begin{matrix} 8 \\ -9 \\ 2 \end{matrix}) + 3 \cdot (\begin{matrix} -5 \\ 5 \\ 0 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -7 \\ 6 \\ 2 \end{matrix})$ und das Flugzeug F2 an der Stelle P2 $(\begin{matrix} 29 \\ -21 \\ 11 \end{matrix}) + 3 \cdot (\begin{matrix} -5 \\ 6 \\ -2 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 14 \\ -3 \\ 5 \end{matrix})$ .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P₁

(-7 | 6 | 2)

und P₂

(14 | -3 | 5)

:

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

=

(\begin{matrix} 14 - (-7) \\ -3 - 6 \\ 5 - 2 \end{matrix})

=

(\begin{matrix} 21 \\ -9 \\ 3 \end{matrix})

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

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

| =

| (\begin{matrix} 21 \\ -9 \\ 3 \end{matrix}) |

=

\sqrt{21^{2} + {(-9)}^{2} + 3^{2}}

=

\sqrt{531}

≈ 23.043437243606

Der Abstand ist also ca. 23.04 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: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 29 \\ -21 \\ 11 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -5 \\ 6 \\ -2 \end{matrix})$ enthält und parallel zur Geraden g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 8 \\ -9 \\ 2 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -5 \\ 5 \\ 0 \end{matrix})$ ist, also $\vec{x} = (\begin{matrix} 29 \\ -21 \\ 11 \end{matrix}) + r \cdot (\begin{matrix} -5 \\ 6 \\ -2 \end{matrix}) + s \cdot (\begin{matrix} -5 \\ 5 \\ 0 \end{matrix})$
Der Normalenvektor dieser Ebene ist der Normalenvektor auf die beiden Richtungsvektoren der Geraden.

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

= -5⋅

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

Wenn wir den Aufpunkt von h A_h $(29 | -21 | 11)$ in die allgemeine Ebenengleichung $2 x_{1} + 2 x_{2} + x_{3} = d$ einsetzen erhalten wir für diese Hilfsebene die Koordinatengleichung:

2 x_{1} + 2 x_{2} + x_{3} = 27

Nun können wir den Abstand zwischen der Geraden g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 8 \\ -9 \\ 2 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -5 \\ 5 \\ 0 \end{matrix})$ und dieser (zu g parallelen) Ebene berechnen, indem wir aus der Geraden einen Punkt, am besten den Aufpunkt $(8 | -9 | 2)$ , 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 8 + 2 \cdot (- 9) + 1 \cdot 2 - 27 |}{\sqrt{2^{2} + 2^{2} + 1^{2}}}

=

\frac{| -27 |}{\sqrt{9}}

=

\frac{27}{3}

= 9

Alternativer (kürzerer) Lösungsweg mit Formel einblenden

Wenn man die Hesse'sche Normalenform in Vektorschreibweise mit A_h scheibt:
$\frac{| [\vec{x} - (\begin{matrix} 29 \\ -21 \\ 11 \end{matrix})] \circ (\begin{matrix} 2 \\ 2 \\ 1 \end{matrix}) |}{\sqrt{2^{2} + 2^{2} + 1^{2}}}$ , kann man ja A_g (den Aufpunkt von g) direkt für x einsetzen:
$d =$ $\frac{| [(\begin{matrix} 8 \\ -9 \\ 2 \end{matrix}) - (\begin{matrix} 29 \\ -21 \\ 11 \end{matrix})] \circ (\begin{matrix} 2 \\ 2 \\ 1 \end{matrix}) |}{\sqrt{2^{2} + 2^{2} + 1^{2}}}$ = $\frac{| (\begin{matrix} -21 \\ 12 \\ -9 \end{matrix}) \circ (\begin{matrix} 2 \\ 2 \\ 1 \end{matrix}) |}{\sqrt{2^{2} + 2^{2} + 1^{2}}}$ = $\frac{| (-21) \cdot 2 + 12 \cdot 2 + (-9) \cdot 1 |}{\sqrt{4 + 4 + 1}}$ = $\frac{| -27 |}{\sqrt{9}}$ = $\frac{27}{3}$ = $9$

Der Abstand der beiden Bewegungsbahnen beträgt somit 9 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 ${G1}_{t} (8 - 5 t | -9 + 5 t | 2 + 0 t)$ und ${G2}_{t} (29 - 5 t | -21 + 6 t | 11 - 2 t)$ minimal wird.

d(t)= $| (\begin{matrix} 29 - 5 t \\ -21 + 6 t \\ 11 - 2 t \end{matrix}) - (\begin{matrix} 8 - 5 t \\ -9 + 5 t \\ 2 + 0 t \end{matrix}) |$ = $| (\begin{matrix} 21 + 0 t \\ -12 + 1 t \\ 9 - 2 t \end{matrix}) |$ soll also minimal werden.

d(t)= $\sqrt{{(0 + 21)}^{2} + {(t - 12)}^{2} + {(- 2 t + 9)}^{2}}$
= $\sqrt{441 + t^{2} - 24 t + 144 + 4 t^{2} - 36 t + 81}$
= $\sqrt{5 t^{2} - 60 t + 666}$

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( $6$ )= $\sqrt{5 \cdot 6^{2} - 60 \cdot 6 + 666}$ = $\sqrt{486}$ ≈ 22 (in km)

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 4 \\ -6 \\ -2 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 0 \\ 5 \\ -5 \end{matrix})$ . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn).
Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(7 | -10 | 5)$ . Nach 3s ist sie im Punkt B $(1 | 8 | -10)$ angelangt.
Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 1s 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 3s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -6 \\ 18 \\ -15 \end{matrix})$ zurück.
In 1s legt es also den Vektor $\frac{1}{3}$ ⋅ $(\begin{matrix} -6 \\ 18 \\ -15 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -2 \\ 6 \\ -5 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 7 \\ -10 \\ 5 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -2 \\ 6 \\ -5 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 1s an der Stelle P1 $(\begin{matrix} 4 \\ -6 \\ -2 \end{matrix}) + 1 \cdot (\begin{matrix} 0 \\ 5 \\ -5 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 4 \\ -1 \\ -7 \end{matrix})$ und die Seilbahngondel an der Stelle P2 $(\begin{matrix} 7 \\ -10 \\ 5 \end{matrix}) + 1 \cdot (\begin{matrix} -2 \\ 6 \\ -5 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 5 \\ -4 \\ 0 \end{matrix})$ .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P₁

(4 | -1 | -7)

und P₂

(5 | -4 | 0)

:

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

=

(\begin{matrix} 5 - 4 \\ -4 - (-1) \\ 0 - (-7) \end{matrix})

=

(\begin{matrix} 1 \\ -3 \\ 7 \end{matrix})

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

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

| =

| (\begin{matrix} 1 \\ -3 \\ 7 \end{matrix}) |

=

\sqrt{1^{2} + {(-3)}^{2} + 7^{2}}

=

\sqrt{59}

≈ 7.6811457478686

Der Abstand ist also ca. 7.68 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: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 7 \\ -10 \\ 5 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -2 \\ 6 \\ -5 \end{matrix})$ enthält und parallel zur Geraden g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 4 \\ -6 \\ -2 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 0 \\ 5 \\ -5 \end{matrix})$ ist, also $\vec{x} = (\begin{matrix} 7 \\ -10 \\ 5 \end{matrix}) + r \cdot (\begin{matrix} -2 \\ 6 \\ -5 \end{matrix}) + s \cdot (\begin{matrix} 0 \\ 5 \\ -5 \end{matrix})$
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 \\ 6 \\ -5 \end{matrix}) = (\begin{matrix} 5 \cdot (- 5) - (- 5) \cdot 6 \\ - 5 \cdot (- 2) - 0 \cdot (- 5) \\ 0 \cdot 6 - 5 \cdot (- 2) \end{matrix}) = (\begin{matrix} - 25 + 30 \\ 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 $(7 | -10 | 5)$ 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} = -3

Nun können wir den Abstand zwischen der Geraden g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 4 \\ -6 \\ -2 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 0 \\ 5 \\ -5 \end{matrix})$ und dieser (zu g parallelen) Ebene berechnen, indem wir aus der Geraden einen Punkt, am besten den Aufpunkt $(4 | -6 | -2)$ , 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{| 1 \cdot 4 + 2 \cdot (- 6) + 2 \cdot (- 2) + 3 |}{\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:
$\frac{| [\vec{x} - (\begin{matrix} 7 \\ -10 \\ 5 \end{matrix})] \circ (\begin{matrix} 1 \\ 2 \\ 2 \end{matrix}) |}{\sqrt{1^{2} + 2^{2} + 2^{2}}}$ , kann man ja A_g (den Aufpunkt von g) direkt für x einsetzen:
$d =$ $\frac{| [(\begin{matrix} 4 \\ -6 \\ -2 \end{matrix}) - (\begin{matrix} 7 \\ -10 \\ 5 \end{matrix})] \circ (\begin{matrix} 1 \\ 2 \\ 2 \end{matrix}) |}{\sqrt{1^{2} + 2^{2} + 2^{2}}}$ = $\frac{| (\begin{matrix} -3 \\ 4 \\ -7 \end{matrix}) \circ (\begin{matrix} 1 \\ 2 \\ 2 \end{matrix}) |}{\sqrt{1^{2} + 2^{2} + 2^{2}}}$ = $\frac{| (-3) \cdot 1 + 4 \cdot 2 + (-7) \cdot 2 |}{\sqrt{1 + 4 + 4}}$ = $\frac{| -9 |}{\sqrt{9}}$ = $\frac{9}{3}$ = $3$

Der Abstand der beiden Bewegungsbahnen beträgt somit 3 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 ${G1}_{t} (4 + 0 t | -6 + 5 t | -2 - 5 t)$ und ${G2}_{t} (7 - 2 t | -10 + 6 t | 5 - 5 t)$ minimal wird.

d(t)= $| (\begin{matrix} 7 - 2 t \\ -10 + 6 t \\ 5 - 5 t \end{matrix}) - (\begin{matrix} 4 + 0 t \\ -6 + 5 t \\ -2 - 5 t \end{matrix}) |$ = $| (\begin{matrix} 3 - 2 t \\ -4 + 1 t \\ 7 + 0 t \end{matrix}) |$ soll also minimal werden.

d(t)= $\sqrt{{(- 2 t + 3)}^{2} + {(t - 4)}^{2} + {(0 + 7)}^{2}}$
= $\sqrt{4 t^{2} - 12 t + 9 + t^{2} - 8 t + 16 + 49}$
= $\sqrt{5 t^{2} - 20 t + 74}$

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:

$f'(t) =$ $10 x - 20 + 0$

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

mit der notwendigen Bedingung f'(t)=0 erhält man t= $2$ als potentielle Extremstelle.

Wegen $f''(t) =$ $10 + 0 + 0$ >0 ist also der Tiefpunkt bei t= $2$ .

der minimale Abstand ist also d( $2$ )= $\sqrt{5 \cdot 2^{2} - 20 \cdot 2 + 74}$ = $\sqrt{54}$ ≈ 7.3 (in m)

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände (ohne windschief)

Beispiel:

Flugzeug Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 7 \\ -1 \\ 0 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -3 \\ -6 \\ 4 \end{matrix})$ . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(20 | 20 | -9)$ . Nach 3min ist es im Punkt B $(11 | -1 | 3)$ angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 5min 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 3min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -9 \\ -21 \\ 12 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{3}$ ⋅ $(\begin{matrix} -9 \\ -21 \\ 12 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -3 \\ -7 \\ 4 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 20 \\ 20 \\ -9 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -3 \\ -7 \\ 4 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 5min an der Stelle P1 $(\begin{matrix} 7 \\ -1 \\ 0 \end{matrix}) + 5 \cdot (\begin{matrix} -3 \\ -6 \\ 4 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -8 \\ -31 \\ 20 \end{matrix})$ und F2 an der Stelle P2 $(\begin{matrix} 20 \\ 20 \\ -9 \end{matrix}) + 5 \cdot (\begin{matrix} -3 \\ -7 \\ 4 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 5 \\ -15 \\ 11 \end{matrix})$ .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P₁

(-8 | -31 | 20)

und P₂

(5 | -15 | 11)

:

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

=

(\begin{matrix} 5 - (-8) \\ -15 - (-31) \\ 11 - 20 \end{matrix})

=

(\begin{matrix} 13 \\ 16 \\ -9 \end{matrix})

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

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

| =

| (\begin{matrix} 13 \\ 16 \\ -9 \end{matrix}) |

=

\sqrt{13^{2} + 16^{2} + {(-9)}^{2}}

=

\sqrt{506}

≈ 22.494443758404

Der Abstand ist also ca. 22.49 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 ${G1}_{t} (7 - 3 t | -1 - 6 t | 0 + 4 t)$ und ${G2}_{t} (20 - 3 t | 20 - 7 t | -9 + 4 t)$ minimal wird.

d(t)= $| (\begin{matrix} 20 - 3 t \\ 20 - 7 t \\ -9 + 4 t \end{matrix}) - (\begin{matrix} 7 - 3 t \\ -1 - 6 t \\ 0 + 4 t \end{matrix}) |$ = $| (\begin{matrix} 13 + 0 t \\ 21 - 1 t \\ -9 + 0 t \end{matrix}) |$ soll also minimal werden.

d(t)= $\sqrt{{(0 + 13)}^{2} + {(- t + 21)}^{2} + {(0 - 9)}^{2}}$
= $\sqrt{169 + t^{2} - 42 t + 441 + 81}$
= $\sqrt{t^{2} - 42 t + 691}$

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:

$f'(t) =$ $2 x - 42 + 0$

$f''(t) =$ $2 + 0 + 0$

mit der notwendigen Bedingung f'(t)=0 erhält man t= $21$ als potentielle Extremstelle.

Wegen $f''(t) =$ $2 + 0 + 0$ >0 ist also der Tiefpunkt bei t= $21$ .

der minimale Abstand ist also d( $21$ )= $\sqrt{21^{2} - 42 \cdot 21 + 691}$ = $\sqrt{250}$ ≈ 15.8

Nicht lineare Bewegung

Beispiel:

Ein Fußballtorwart führt eine Abschlag auf einem Fußballplatz durch, der durch die x₁x₂-Ebene beschrieben wird. Die Bahn des Fußballs kann mithilfe der Punkte X_t( $16 t - 1$ | $30 t - 4$ | $- t^{2} + 1,9 t$ ) beschrieben werden; dabei ist t die seit dem Abschlag vergangene Zeit in Sekunden (Eine Längeneinheit im Koordinatensystem entspricht 1 m in der Realität). Auf dieser Bahn fliegt der Ball auf den Fußballplatz.
Berechne die Weite des Abschlags, also die Entfernung zwischen dem Punkt des Abstoßes und dem Punkt, bei dem der Ball das erste mal wieder auf dem Boden landet.

Lösung einblenden

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

$- x^{2} + 1,9 x$	=	0
$x (- x + 1,9)$	=	0

Ein Produkt ist genau dann =0, wenn mindestens einer der beiden Faktoren =0 ist.

1. Fall:

x₁

=

0

2. Fall:

$- x + 1,9$	=	0	\| $- 1,9$
$- x$	=	$- 1,9$	\|:( $- 1$ )
x₂	=	$1,9$

Das heißt also, dass der Fußball nach 1,9 s in der x₁x₂-Ebene angekommen ist. Wenn wir t = 1,9 in den Punkt X_t einsetzen, erhalten wir L( $16 \cdot 1,9 - 1$ | $30 \cdot 1,9 - 4$ | $- {1,9}^{2} + 1,9 \cdot 1,9$ ) = L $(29.4 | 53 | 0)$ als den Landepunkt.

Da ja der Fußball im Punkt A $(-1 | -4 | 0)$ losgeflogen ist, können wir die gesuchte Weite einfach als Länge des
Vektors $\vec{AL}$ = $(\begin{matrix} 29.4 - (-1) \\ 53 - (-4) \\ 0 - 0 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 30.4 \\ 57 \\ 0 \end{matrix})$ berechnen:

d = $\sqrt{{30.4}^{2} + 57^{2} + 0^{2}}$ = 64,6

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