Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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nach x Minuten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|-20|50) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (190|-180|130) angelangt. Wie hoch ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs in km/h?
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 10s?
Wie weit ist das Flugzeug dann geflogen?
Berechne den Winkel mit dem das Flugzeug steigt?
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 690m erreicht?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( 160 -160 80 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 160 -160 80 ) = ( 80 -80 40 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 80 2 + (-80)2 + 40 2 = 14400 = 120.
Die Geschwindigkeit ist also v=120 m s = 432 km h

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 30 -20 50 ) +t ( 80 -80 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 10 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 30 -20 50 ) +10 ( 80 -80 40 ) = ( 830 -820 450 ) , also im Punkt P(830|-820|450).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(30|-20|50) nach P(830|-820|450) bewegt, also um den Vektor AP = ( 800 -800 400 ) . Dessen Länge ist 800 2 + (-800)2 + 400 2 = 1440000 = 1200m.

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 n = ( 0 0 1 ) .
Daraus ergibt sich für den Steigungswinkel α: sin(α)= | ( 80 -80 40 ) ( 0 0 1 ) | | ( 80 -80 40 ) | | ( 0 0 1 ) | = | 800 + (-80)0 + 401 | 80 2 + (-80)2 + 40 2 0 2 + 02 + 1 2
= | 40 | 14400 1 0.3333 => α=19.5°

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 40m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 50 auf 690m (also 640m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 640 40 s = 16s 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 1620km/h in Richtung des Punktes B (50|-650|100) (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt sie im Punkt B an?
Wann hat die Rakete die (absolute) Höhe von 650m erreicht? In welchem Punkt befindet es sich dann?

Lösung einblenden

Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 1620000 m 3600 s = 450 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -200 -400 50 ) ist (-200) 2 + (-400)2 + 50 2 = 202500 = 450 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 450 m s . braucht er für diese Strecke 450 450 s = 1s.
Punkt B wird als nach 1s erreicht.

In einer s wird also der Vektor ( -200 -400 50 ) zurückgelegt.
Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann so als Gerade g mit g: x = ( 250 -250 50 ) +t ( -200 -400 50 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 50m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 50 auf 650m (also 600m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 600 50 s = 12s lang steigen (bzw. sinken) und ist dann im Punkt mit dem Ortsvektor OP = ( 250 -250 50 ) +12 ( -200 -400 50 ) = ( -2150 -5050 650 )
Also im Punkt P(-2150|-5050|650).

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|-30|50) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-210|-110|70) angelangt.
Welche Höhe hat das Flugzeug, wenn es 21,6 km zurückgelegt hat?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 2 s den Vektor AB = ( -160 -80 20 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( -160 -80 20 ) = ( -80 -40 10 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -50 -30 50 ) +t ( -80 -40 10 ) 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 = (-80) 2 + (-40)2 + 10 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m s
Für die Strecke von 21.6 km braucht es also 21600 90 s = 240s
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -50 -30 50 ) +240 ( -80 -40 10 ) = ( -19250 -9630 2450 ) , also im Punkt P(-19250|-9630|2450).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 2450m.

Zwei Objekte - gleiche Höhe

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -9 -5 0,9 ) +t ( 9 -2 0,2 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (4|-6|0) . Nach 1h ist er im Punkt B (0|-7|0,3) 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 1h den Vektor AB = ( -4 -1 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 4 -6 0 ) +t ( -4 -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:

0,2t +0,9 = 0,3t +0
0,2t +0,9 = 0,3t | -0,9 -0,3t
-0,1t = -0,9 |:(-0,1 )
t = 9

nach 9 h sind also das Flugzeug F1 und das Flugzeug F2 auf gleicher Höhe: 0,29 +0,9 = 2.7 = 0,39 +0


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.

( -9 -5 0.9 ) +s ( 9 -2 0.2 ) = ( 4 -6 0 ) +t ( -4 -1 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-9+9s= 4-4t-5-2s= -6-1t

9 s +4 t = 13 (I) -2 s +t = -1 (II)
9 s +4 t = 13 (I) -2 s +t = -1 (II)

langsame Rechnung einblenden2·(I) + 9·(II)

9 s 4 t = 13 (I) ( 18 -18 )s +( 8 +9 )t = ( 26 -9 ) (II)
9 s +4 t = 13 (I) +17 t = 17 (II)
Zeile (II): +17 t = 17

t = 1

eingesetzt in Zeile (I):

9 s +4 ·(1 ) = 13 | -4
9 s = 9 | : 9

s = 1

L={( 1 |1 )}

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

das Flugzeug F1 ist also nach 1h bei ( -9 -5 0.9 ) +1 ( 9 -2 0.2 ) = ( 0 -7 1.1 ) , während das Flugzeug F2 nach 1h bei ( 4 -6 0 ) +1 ( -4 -1 0.3 ) = ( 0 -7 0.3 ) ist.

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(0|-7|1.1) und P2(0|-7|0.3):
P1P2 = ( 0-0 -7-( - 7 ) 0.3-1.1 ) = ( 0 0 -0.8 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 0 0 -0.8 ) | = 0 2 + 02 + (-0.8) 2 = 0.64 ≈ 0.8

Der Abstand der beiden Objekte nach 1h ist also 0.64 km ≈ 0.8 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.

( -9 -5 0.9 ) +s ( 9 -2 0.2 ) = ( 4 -6 0 ) +t ( -4 -1 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-9+9s= 4-4t-5-2s= -6-1t

9 s +4 t = 13 (I) -2 s +t = -1 (II)
9 s +4 t = 13 (I) -2 s +t = -1 (II)

langsame Rechnung einblenden2·(I) + 9·(II)

9 s 4 t = 13 (I) ( 18 -18 )s +( 8 +9 )t = ( 26 -9 ) (II)
9 s +4 t = 13 (I) +17 t = 17 (II)
Zeile (II): +17 t = 17

t = 1

eingesetzt in Zeile (I):

9 s +4 ·(1 ) = 13 | -4
9 s = 9 | : 9

s = 1

L={( 1 |1 )}

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

das Flugzeug F1 ist also nach 1h bei ( -9 -5 0.9 ) +1 ( 9 -2 0.2 ) = ( 0 -7 1.1 ) , während das Flugzeug F2 nach 1h bei ( 4 -6 0 ) +1 ( -4 -1 0.3 ) = ( 0 -7 0.3 ) ist.

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

1.1 - 0.3 = 0.8 km

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 1 -1 1 ) +t ( 7 -12 7 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-1|18|1) . Nach 3min ist es im Punkt B (23|-18|19) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 2min 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 3min den Vektor AB = ( 24 -36 18 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( 24 -36 18 ) = ( 8 -12 6 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -1 18 1 ) +t ( 8 -12 6 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Das Flugzeug F1 ist nach 2min an der Stelle P1 ( 1 -1 1 ) +2 ( 7 -12 7 ) = ( 15 -25 15 ) und das Flugzeug F2 an der Stelle P2 ( -1 18 1 ) +2 ( 8 -12 6 ) = ( 15 -6 13 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(15|-25|15) und P2(15|-6|13):
P1P2 = ( 15-15 -6-( - 25 ) 13-15 ) = ( 0 19 -2 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 0 19 -2 ) | = 0 2 + 192 + (-2) 2 = 365 ≈ 19.104973174543

Der Abstand ist also ca. 19.1 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: x = ( -1 18 1 ) +t ( 8 -12 6 ) enthält und parallel zur Geraden g: x = ( 1 -1 1 ) +t ( 7 -12 7 ) ist, also x = ( -1 18 1 ) + r ( 8 -12 6 ) + s ( 7 -12 7 )
Der Normalenvektor dieser Ebene ist der Normalenvektor auf die beiden Richtungsvektoren der Geraden.

n = ( 7 -12 7 ) × ( 8 -12 6 ) = ( -126-7( - 12 ) 78-76 7( - 12 )-( - 12 )8 ) = ( -72-( - 84 ) 56-42 -84-( - 96 ) ) = ( 12 14 12 ) = 2⋅ ( 6 7 6 )

Wenn wir den Aufpunkt von h Ah(-1|18|1) in die allgemeine Ebenengleichung 6 x 1 +7 x 2 +6 x 3 = d einsetzen erhalten wir für diese Hilfsebene die Koordinatengleichung:

6 x 1 +7 x 2 +6 x 3 = 126

Nun können wir den Abstand zwischen der Geraden g: x = ( 1 -1 1 ) +t ( 7 -12 7 ) und dieser (zu g parallelen) Ebene berechnen, indem wir aus der Geraden einen Punkt, am besten den Aufpunkt (1|-1|1), 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 = | 6 1+7 ( - 1 )+6 1-126 | 6 2 + 7 2 + 6 2
= | -121 | 121 = 121 11 = 11

Der Abstand der beiden Bewegungsbahnen beträgt somit 11 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 ( 1 +7 t | -1 -12 t | 1 +7 t ) und G2 t ( -1 +8 t | 18 -12 t | 1 +6 t ) minimal wird.

d(t)= | ( -1+8t 18-12t 1+6t ) - ( 1+7t -1-12t 1+7t ) | = | ( -2+1t 19+0t 0-1t ) | soll also minimal werden.

d(t)= ( x -2 ) 2 + ( 0 +19 ) 2 + ( -x +0 ) 2
= x 2 -4x +4 +361 + x 2
= 2 x 2 -4x +365

da a < b a < 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)= 4x -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 )= 2 1 2 -41 +365 = 363 ≈ 19.1 km

nach x Minuten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|50|0) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (330|-190|80) angelangt. Wie hoch ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs in km/h?
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 9s?
Wie weit ist das Flugzeug dann geflogen?
Berechne den Winkel mit dem das Flugzeug steigt?
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 1040m erreicht?

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. Dieser Vektor hat die Länge = 90 2 + (-60)2 + 20 2 = 12100 = 110.
Die Geschwindigkeit ist also v=110 m s = 396 km h

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -30 50 0 ) +t ( 90 -60 20 ) 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
OP = ( -30 50 0 ) +9 ( 90 -60 20 ) = ( 780 -490 180 ) , also im Punkt P(780|-490|180).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-30|50|0) nach P(780|-490|180) bewegt, also um den Vektor AP = ( 810 -540 180 ) . Dessen Länge ist 810 2 + (-540)2 + 180 2 = 980100 = 990m.

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 n = ( 0 0 1 ) .
Daraus ergibt sich für den Steigungswinkel α: sin(α)= | ( 90 -60 20 ) ( 0 0 1 ) | | ( 90 -60 20 ) | | ( 0 0 1 ) | = | 900 + (-60)0 + 201 | 90 2 + (-60)2 + 20 2 0 2 + 02 + 1 2
= | 20 | 12100 1 0.1818 => α=10.5°

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 20m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 0 auf 1040m (also 1040m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 1040 20 s = 52s lang steigen (bzw. sinken).

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände (ohne windschief)

Beispiel:

Flugzeug Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -9 0 -2 ) +t ( 11 -80 -2 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-25|161|10) . Nach 3min ist es im Punkt B (11|-79|-2) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 4min 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 AB = ( 36 -240 -12 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( 36 -240 -12 ) = ( 12 -80 -4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -25 161 10 ) +t ( 12 -80 -4 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 4min an der Stelle P1 ( -9 0 -2 ) +4 ( 11 -80 -2 ) = ( 35 -320 -10 ) und F2 an der Stelle P2 ( -25 161 10 ) +4 ( 12 -80 -4 ) = ( 23 -159 -6 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(35|-320|-10) und P2(23|-159|-6):
P1P2 = ( 23-35 -159-( - 320 ) -6-( - 10 ) ) = ( -12 161 4 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -12 161 4 ) | = (-12) 2 + 1612 + 4 2 = 26081 ≈ 161.49612998459

Der Abstand ist also ca. 161.5 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 ( -9 +11 t | 0 -80 t | -2 -2 t ) und G2 t ( -25 +12 t | 161 -80 t | 10 -4 t ) minimal wird.

d(t)= | ( -25+12t 161-80t 10-4t ) - ( -9+11t 0-80t -2-2t ) | = | ( -16+1t 161+0t 12-2t ) | soll also minimal werden.

d(t)= ( x -16 ) 2 + ( 0 +161 ) 2 + ( -2x +12 ) 2
= x 2 -32x +256 +25921 +4 x 2 -48x +144
= 5 x 2 -80x +26321

da a < b a < 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)= 10x -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 )= 5 8 2 -808 +26321 = 26001 ≈ 161.2