Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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nach x Minuten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|-50|10) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (90|-110|40) angelangt. Wie hoch ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs in km/h?
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 11s?
Wie weit ist das Flugzeug dann geflogen?
Berechne den Winkel mit dem das Flugzeug steigt?
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 370m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( 60 -60 30 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 60 -60 30 ) = ( 20 -20 10 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 20 2 + (-20)2 + 10 2 = 900 = 30.
Die Geschwindigkeit ist also v=30 m s = 108 km h

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 30 -50 10 ) +t ( 20 -20 10 ) 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 -50 10 ) +11 ( 20 -20 10 ) = ( 250 -270 120 ) , also im Punkt P(250|-270|120).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(30|-50|10) nach P(250|-270|120) bewegt, also um den Vektor AP = ( 220 -220 110 ) . Dessen Länge ist 220 2 + (-220)2 + 110 2 = 108900 = 330m.

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)= | ( 20 -20 10 ) ( 0 0 1 ) | | ( 20 -20 10 ) | | ( 0 0 1 ) | = | 200 + (-20)0 + 101 | 20 2 + (-20)2 + 10 2 0 2 + 02 + 1 2
= | 10 | 900 1 0.3333 => α=19.5°

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 10m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 10 auf 370m (also 360m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 360 10 s = 36s lang steigen (bzw. sinken).

Bewegungsaufgabe mit geg. Geschwindigkeit

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|40|10) und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 252km/h in Richtung des Punktes B (-70|-80|50) (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt es im Punkt B an?
Wann hat das Flugzeug die (absolute) Höhe von 450m erreicht?
In welchem Punkt befindet es sich dann?

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Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 252000 m 3600 s = 70 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -60 -120 40 ) ist (-60) 2 + (-120)2 + 40 2 = 19600 = 140 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 70 m s . braucht er für diese Strecke 140 70 s = 2s.
Punkt B wird als nach 2s erreicht.

In einer s wird also der Vektor 1 2 ( -60 -120 40 ) = ( -30 -60 20 ) zurückgelegt.
Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann so als Gerade g mit g: x = ( -10 40 10 ) +t ( -30 -60 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 20m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 10 auf 450m (also 440m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 440 20 s = 22s lang steigen (bzw. sinken) und ist dann im Punkt mit dem Ortsvektor OP = ( -10 40 10 ) +22 ( -30 -60 20 ) = ( -670 -1280 450 )
Also im Punkt P(-670|-1280|450).

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (12|15|0) (alle Angaben in Meter). Nach 1min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (0|3|-6) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 3,24 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 1 min den Vektor AB = ( -12 -12 -6 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 12 15 0 ) +t ( -12 -12 -6 ) 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 = (-12) 2 + (-12)2 + (-6) 2 = 324 = 18.
Die Geschwindigkeit ist also v=18 m min
Für die Strecke von 3.24 km braucht es also 3240 18 min = 180min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 12 15 0 ) +180 ( -12 -12 -6 ) = ( -2148 -2145 -1080 ) , also im Punkt P(-2148|-2145|-1080).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -1080m.

Zwei Objekte - gleiche Höhe

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 25 -26 1,6 ) +t ( -8 5 0,1 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-2|7|0,8) . Nach 4h ist er im Punkt B (-30|3|1,6) 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?

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Das Flugzeug F2 legt in 4h den Vektor AB = ( -28 -4 0.8 ) zurück.
In 1h legt es also den Vektor 1 4 ( -28 -4 0.8 ) = ( -7 -1 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -2 7 0.8 ) +t ( -7 -1 0.2 ) 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 +1,6 = 0,2t +0,8 | -1,6 -0,2t
-0,1t = -0,8 |:(-0,1 )
t = 8

nach 8 h sind also das Flugzeug F1 und das Flugzeug F2 auf gleicher Höhe: 0,18 +1,6 = 2.4 = 0,28 +0,8


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.

( 25 -26 1.6 ) +s ( -8 5 0.1 ) = ( -2 7 0.8 ) +t ( -7 -1 0.2 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

25-8s= -2-7t-26+5s= 7-1t

-8 s +7 t = -27 (I) 5 s +t = 33 (II)
-8 s +7 t = -27 (I) 5 s +t = 33 (II)

langsame Rechnung einblenden5·(I) + 8·(II)

-8 s 7 t = -27 (I) ( -40 +40 )s +( 35 +8 )t = ( -135 +264 ) (II)
-8 s +7 t = -27 (I) +43 t = 129 (II)
Zeile (II): +43 t = 129

t = 3

eingesetzt in Zeile (I):

-8 s +7 ·(3 ) = -27 | -21
-8 s = -48 | : (-8)

s = 6

L={( 6 |3 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 6h und das Flugzeug F2 nach 3h an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 6h bei ( 25 -26 1.6 ) +6 ( -8 5 0.1 ) = ( -23 4 2.2 ) , während das Flugzeug F2 nach 6h bei ( -2 7 0.8 ) +6 ( -7 -1 0.2 ) = ( -44 1 2 ) ist.

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-23|4|2.2) und P2(-44|1|2):
P1P2 = ( -44-( - 23 ) 1-4 2-2.2 ) = ( -21 -3 -0.2 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -21 -3 -0.2 ) | = (-21) 2 + (-3)2 + (-0.2) 2 = 450.04 ≈ 21.214146223688

Der Abstand der beiden Objekte nach 6h ist also 449.8641 km ≈ 21.21 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.

( 25 -26 1.6 ) +s ( -8 5 0.1 ) = ( -2 7 0.8 ) +t ( -7 -1 0.2 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

25-8s= -2-7t-26+5s= 7-1t

-8 s +7 t = -27 (I) 5 s +t = 33 (II)
-8 s +7 t = -27 (I) 5 s +t = 33 (II)

langsame Rechnung einblenden5·(I) + 8·(II)

-8 s 7 t = -27 (I) ( -40 +40 )s +( 35 +8 )t = ( -135 +264 ) (II)
-8 s +7 t = -27 (I) +43 t = 129 (II)
Zeile (II): +43 t = 129

t = 3

eingesetzt in Zeile (I):

-8 s +7 ·(3 ) = -27 | -21
-8 s = -48 | : (-8)

s = 6

L={( 6 |3 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 6h und das Flugzeug F2 nach 3h an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 6h bei ( 25 -26 1.6 ) +6 ( -8 5 0.1 ) = ( -23 4 2.2 ) , während das Flugzeug F2 nach 3h bei ( -2 7 0.8 ) +3 ( -7 -1 0.2 ) = ( -23 4 1.4 ) ist.

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

2.2 - 1.4 = 0.8 km

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 5 0 1 ) +t ( -2 11 -10 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (16|-18|27) . Nach 4min ist es im Punkt B (0|30|-13) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 5min 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 AB = ( -16 48 -40 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( -16 48 -40 ) = ( -4 12 -10 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 16 -18 27 ) +t ( -4 12 -10 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Das Flugzeug F1 ist nach 5min an der Stelle P1 ( 5 0 1 ) +5 ( -2 11 -10 ) = ( -5 55 -49 ) und das Flugzeug F2 an der Stelle P2 ( 16 -18 27 ) +5 ( -4 12 -10 ) = ( -4 42 -23 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-5|55|-49) und P2(-4|42|-23):
P1P2 = ( -4-( - 5 ) 42-55 -23-( - 49 ) ) = ( 1 -13 26 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 1 -13 26 ) | = 1 2 + (-13)2 + 26 2 = 846 ≈ 29.086079144498

Der Abstand ist also ca. 29.09 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 = ( 16 -18 27 ) +t ( -4 12 -10 ) enthält und parallel zur Geraden g: x = ( 5 0 1 ) +t ( -2 11 -10 ) ist, also x = ( 16 -18 27 ) + r ( -4 12 -10 ) + s ( -2 11 -10 )
Der Normalenvektor dieser Ebene ist der Normalenvektor auf die beiden Richtungsvektoren der Geraden.

n = ( -2 11 -10 ) × ( -4 12 -10 ) = ( 11( - 10 )-( - 10 )12 -10( - 4 )-( - 2 )( - 10 ) -212-11( - 4 ) ) = ( -110-( - 120 ) 40-20 -24-( - 44 ) ) = ( 10 20 20 ) = 10⋅ ( 1 2 2 )

Wenn wir den Aufpunkt von h Ah(16|-18|27) 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 = 34

Nun können wir den Abstand zwischen der Geraden g: x = ( 5 0 1 ) +t ( -2 11 -10 ) und dieser (zu g parallelen) Ebene berechnen, indem wir aus der Geraden einen Punkt, am besten den Aufpunkt (5|0|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 = | 1 5+2 0+2 1-34 | 1 2 + 2 2 + 2 2
= | -27 | 9 = 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 ( 5 -2 t | 0 +11 t | 1 -10 t ) und G2 t ( 16 -4 t | -18 +12 t | 27 -10 t ) minimal wird.

d(t)= | ( 16-4t -18+12t 27-10t ) - ( 5-2t 0+11t 1-10t ) | = | ( 11-2t -18+1t 26+0t ) | soll also minimal werden.

d(t)= ( -2x +11 ) 2 + ( x -18 ) 2 + ( 0 +26 ) 2
= 4 x 2 -44x +121 + x 2 -36x +324 +676
= 5 x 2 -80x +1121

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 +1121 = 801 ≈ 28.3 km

nach x Minuten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (150|250|250) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (-200|450|450) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?
Wo ist die Rakete nach 10s?
Wie weit ist die Rakete dann geflogen?
Berechne den Winkel mit dem die Rakete steigt?
Wann hat die Rakete die Höhe von 2250m erreicht?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( -350 200 200 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-350) 2 + 2002 + 200 2 = 202500 = 450.
Die Geschwindigkeit ist also v=450 m s = 1620 km h

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 150 250 250 ) +t ( -350 200 200 ) 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 = ( 150 250 250 ) +10 ( -350 200 200 ) = ( -3350 2250 2250 ) , also im Punkt P(-3350|2250|2250).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(150|250|250) nach P(-3350|2250|2250) bewegt, also um den Vektor AP = ( -3500 2000 2000 ) . Dessen Länge ist (-3500) 2 + 20002 + 2000 2 = 20250000 = 4500m.

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)= | ( -350 200 200 ) ( 0 0 1 ) | | ( -350 200 200 ) | | ( 0 0 1 ) | = | (-350)0 + 2000 + 2001 | (-350) 2 + 2002 + 200 2 0 2 + 02 + 1 2
= | 200 | 202500 1 0.4444 => α=26.4°

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 200m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 250 auf 2250m (also 2000m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 2000 200 s = 10s 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 -7 1 ) +t ( -6 8 -11 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (23|-9|13) . Nach 1min ist es im Punkt B (17|-1|1) 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 1min den Vektor AB = ( -6 8 -12 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 23 -9 13 ) +t ( -6 8 -12 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 1min an der Stelle P1 ( 9 -7 1 ) +1 ( -6 8 -11 ) = ( 3 1 -10 ) und F2 an der Stelle P2 ( 23 -9 13 ) +1 ( -6 8 -12 ) = ( 17 -1 1 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(3|1|-10) und P2(17|-1|1):
P1P2 = ( 17-3 -1-1 1-( - 10 ) ) = ( 14 -2 11 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 14 -2 11 ) | = 14 2 + (-2)2 + 11 2 = 321 ≈ 17.916472867169

Der Abstand ist also ca. 17.92 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 -6 t | -7 +8 t | 1 -11 t ) und G2 t ( 23 -6 t | -9 +8 t | 13 -12 t ) minimal wird.

d(t)= | ( 23-6t -9+8t 13-12t ) - ( 9-6t -7+8t 1-11t ) | = | ( 14+0t -2+0t 12-1t ) | soll also minimal werden.

d(t)= ( 0 +14 ) 2 + ( 0 -2 ) 2 + ( -x +12 ) 2
= 196 +4 + x 2 -24x +144
= x 2 -24x +344

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)= 2x -24 +0

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

mit der notwendigen Bedingung f'(t)=0 erhält man t= 12 als potentielle Extremstelle.

Wegen f''(t)= 2 +0+0 >0 ist also der Tiefpunkt bei t= 12 .

der minimale Abstand ist also d( 12 )= 12 2 -2412 +344 = 200 ≈ 14.1