Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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nach x Minuten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (150|-150|200) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-750|-1050|650) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?
Wo ist die Rakete nach 11s?
Wie weit ist die Rakete dann geflogen?
Berechne den Winkel mit dem die Rakete steigt?
Wann hat die Rakete die Höhe von 3350m erreicht?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( -900 -900 450 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -900 -900 450 ) = ( -300 -300 150 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-300) 2 + (-300)2 + 150 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 -150 200 ) +t ( -300 -300 150 ) 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 = ( 150 -150 200 ) +11 ( -300 -300 150 ) = ( -3150 -3450 1850 ) , also im Punkt P(-3150|-3450|1850).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(150|-150|200) nach P(-3150|-3450|1850) bewegt, also um den Vektor AP = ( -3300 -3300 1650 ) . Dessen Länge ist (-3300) 2 + (-3300)2 + 1650 2 = 24502500 = 4950m.

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)= | ( -300 -300 150 ) ( 0 0 1 ) | | ( -300 -300 150 ) | | ( 0 0 1 ) | = | (-300)0 + (-300)0 + 1501 | (-300) 2 + (-300)2 + 150 2 0 2 + 02 + 1 2
= | 150 | 202500 1 0.3333 => α=19.5°

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 150m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 200 auf 3350m (also 3150m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 3150 150 s = 21s lang steigen (bzw. sinken).

Bewegungsaufgabe mit geg. Geschwindigkeit

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-150|200|250) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1980km/h in Richtung des Punktes B (-500|-100|550) (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt sie im Punkt B an?
Wann hat die Rakete die (absolute) Höhe von 2650m erreicht? In welchem Punkt befindet es sich dann?

Lösung einblenden

Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 1980000 m 3600 s = 550 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -350 -300 300 ) ist (-350) 2 + (-300)2 + 300 2 = 302500 = 550 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 550 m s . braucht er für diese Strecke 550 550 s = 1s.
Punkt B wird als nach 1s erreicht.

In einer s wird also der Vektor ( -350 -300 300 ) zurückgelegt.
Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann so als Gerade g mit g: x = ( -150 200 250 ) +t ( -350 -300 300 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 300m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 250 auf 2650m (also 2400m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 2400 300 s = 8s lang steigen (bzw. sinken) und ist dann im Punkt mit dem Ortsvektor OP = ( -150 200 250 ) +8 ( -350 -300 300 ) = ( -2950 -2200 2650 )
Also im Punkt P(-2950|-2200|2650).

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|30|20) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-210|270|140) angelangt.
Welche Höhe hat das Flugzeug, wenn es 21,6 km zurückgelegt hat?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 3 s den Vektor AB = ( -240 240 120 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -240 240 120 ) = ( -80 80 40 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 30 30 20 ) +t ( -80 80 40 ) 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 + 802 + 40 2 = 14400 = 120.
Die Geschwindigkeit ist also v=120 m s
Für die Strecke von 21.6 km braucht es also 21600 120 s = 180s
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 30 30 20 ) +180 ( -80 80 40 ) = ( -14370 14430 7220 ) , also im Punkt P(-14370|14430|7220).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 7220m.

Zwei Objekte - gleiche Höhe

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -5 9 0,5 ) +t ( 3 -9 0,5 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (31|-69|2,1) . Nach 1min ist es im Punkt B (26|-64|2,4) angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?
Wie weit sind die beiden Flugzeuge von einander entfernt, wenn F1 genau senkrecht über oder unter der Flugbahn von F2 ist?
Ein Beobachter steht direkt senkrecht unter dem scheinbaren Schnittpunkt der beiden Flugbahnen. Wie hoch ist an dieser Stelle der Höhenunterschied der beiden Flugbahnen tatsächlich?

Lösung einblenden

Das Flugzeug F2 legt in 1min den Vektor AB = ( -5 5 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 31 -69 2.1 ) +t ( -5 5 0.3 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Um den Zeitpunkt zu finden, wann beide die gleiche Höhe haben, muss einfach ein t gefunden werden, bei dem die x3-Koordinate bei beiden Gleichungen gleich groß ist, also:

0,5t +0,5 = 0,3t +2,1 | -0,5 -0,3t
0,2t = 1,6 |:0,2
t = 8

nach 8 min sind also das Flugzeug F1 und das Flugzeug F2 auf gleicher Höhe: 0,58 +0,5 = 4.5 = 0,38 +2,1


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.

( -5 9 0.5 ) +s ( 3 -9 0.5 ) = ( 31 -69 2.1 ) +t ( -5 5 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-5+3s= 31-5t9-9s= -69+5t

3 s +5 t = 36 (I) -9 s -5 t = -78 (II)
3 s +5 t = 36 (I) -9 s -5 t = -78 (II)

langsame Rechnung einblenden3·(I) + 1·(II)

3 s 5 t = 36 (I) ( 9 -9 )s +( 15 -5 )t = ( 108 -78 ) (II)
3 s +5 t = 36 (I) +10 t = 30 (II)
Zeile (II): +10 t = 30

t = 3

eingesetzt in Zeile (I):

3 s +5 ·(3 ) = 36 | -15
3 s = 21 | : 3

s = 7

L={( 7 |3 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 7min und das Flugzeug F2 nach 3min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 7min bei ( -5 9 0.5 ) +7 ( 3 -9 0.5 ) = ( 16 -54 4 ) , während das Flugzeug F2 nach 7min bei ( 31 -69 2.1 ) +7 ( -5 5 0.3 ) = ( -4 -34 4.2 ) ist.

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(16|-54|4) und P2(-4|-34|4.2):
P1P2 = ( -4-16 -34-( - 54 ) 4.2-4 ) = ( -20 20 0.2 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -20 20 0.2 ) | = (-20) 2 + 202 + 0.2 2 = 800.04 ≈ 28.284978345404

Der Abstand der beiden Objekte nach 7min ist also 799.7584 km ≈ 28.28 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.

( -5 9 0.5 ) +s ( 3 -9 0.5 ) = ( 31 -69 2.1 ) +t ( -5 5 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-5+3s= 31-5t9-9s= -69+5t

3 s +5 t = 36 (I) -9 s -5 t = -78 (II)
3 s +5 t = 36 (I) -9 s -5 t = -78 (II)

langsame Rechnung einblenden3·(I) + 1·(II)

3 s 5 t = 36 (I) ( 9 -9 )s +( 15 -5 )t = ( 108 -78 ) (II)
3 s +5 t = 36 (I) +10 t = 30 (II)
Zeile (II): +10 t = 30

t = 3

eingesetzt in Zeile (I):

3 s +5 ·(3 ) = 36 | -15
3 s = 21 | : 3

s = 7

L={( 7 |3 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 7min und das Flugzeug F2 nach 3min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 7min bei ( -5 9 0.5 ) +7 ( 3 -9 0.5 ) = ( 16 -54 4 ) , während das Flugzeug F2 nach 3min bei ( 31 -69 2.1 ) +3 ( -5 5 0.3 ) = ( 16 -54 3 ) ist.

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

4 - 3 = 1 km

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -10 2 0 ) +t ( -1 -13 8 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-6|20|-1) . Nach 2min ist es im Punkt B (-6|-8|15) 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 2min den Vektor AB = ( 0 -28 16 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( 0 -28 16 ) = ( 0 -14 8 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -6 20 -1 ) +t ( 0 -14 8 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Das Flugzeug F1 ist nach 4min an der Stelle P1 ( -10 2 0 ) +4 ( -1 -13 8 ) = ( -14 -50 32 ) und das Flugzeug F2 an der Stelle P2 ( -6 20 -1 ) +4 ( 0 -14 8 ) = ( -6 -36 31 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-14|-50|32) und P2(-6|-36|31):
P1P2 = ( -6-( - 14 ) -36-( - 50 ) 31-32 ) = ( 8 14 -1 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 8 14 -1 ) | = 8 2 + 142 + (-1) 2 = 261 ≈ 16.155494421404

Der Abstand ist also ca. 16.16 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 = ( -6 20 -1 ) +t ( 0 -14 8 ) enthält und parallel zur Geraden g: x = ( -10 2 0 ) +t ( -1 -13 8 ) ist, also x = ( -6 20 -1 ) + r ( 0 -14 8 ) + s ( -1 -13 8 )
Der Normalenvektor dieser Ebene ist der Normalenvektor auf die beiden Richtungsvektoren der Geraden.

n = ( -1 -13 8 ) × ( 0 -14 8 ) = ( -138-8( - 14 ) 80-( - 1 )8 -1( - 14 )-( - 13 )0 ) = ( -104-( - 112 ) 0-( - 8 ) 14-0 ) = ( 8 8 14 ) = 2⋅ ( 4 4 7 )

Wenn wir den Aufpunkt von h Ah(-6|20|-1) in die allgemeine Ebenengleichung 4 x 1 +4 x 2 +7 x 3 = d einsetzen erhalten wir für diese Hilfsebene die Koordinatengleichung:

4 x 1 +4 x 2 +7 x 3 = 49

Nun können wir den Abstand zwischen der Geraden g: x = ( -10 2 0 ) +t ( -1 -13 8 ) und dieser (zu g parallelen) Ebene berechnen, indem wir aus der Geraden einen Punkt, am besten den Aufpunkt (-10|2|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 = | 4 ( - 10 )+4 2+7 0-49 | 4 2 + 4 2 + 7 2
= | -81 | 81 = 81 9 = 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 ( -10 -1 t | 2 -13 t | 0 +8 t ) und G2 t ( -6 +0 t | 20 -14 t | -1 +8 t ) minimal wird.

d(t)= | ( -6+0t 20-14t -1+8t ) - ( -10-1t 2-13t 0+8t ) | = | ( 4+1t 18-1t -1+0t ) | soll also minimal werden.

d(t)= ( x +4 ) 2 + ( -x +18 ) 2 + ( 0 -1 ) 2
= x 2 +8x +16 + x 2 -36x +324 +1
= 2 x 2 -28x +341

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 -28 +0

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

mit der notwendigen Bedingung f'(t)=0 erhält man t= 7 als potentielle Extremstelle.

Wegen f''(t)= 4 +0+0 >0 ist also der Tiefpunkt bei t= 7 .

der minimale Abstand ist also d( 7 )= 2 7 2 -287 +341 = 243 ≈ 15.6 km

nach x Minuten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (150|-250|200) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (1550|950|1400) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?
Wo ist die Rakete nach 8s?
Wie weit ist die Rakete dann geflogen?
Berechne den Winkel mit dem die Rakete steigt?
Wann hat die Rakete die Höhe von 9800m erreicht?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB = ( 1400 1200 1200 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( 1400 1200 1200 ) = ( 350 300 300 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 350 2 + 3002 + 300 2 = 302500 = 550.
Die Geschwindigkeit ist also v=550 m s = 1980 km h

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 150 -250 200 ) +t ( 350 300 300 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 8 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 150 -250 200 ) +8 ( 350 300 300 ) = ( 2950 2150 2600 ) , also im Punkt P(2950|2150|2600).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(150|-250|200) nach P(2950|2150|2600) bewegt, also um den Vektor AP = ( 2800 2400 2400 ) . Dessen Länge ist 2800 2 + 24002 + 2400 2 = 19360000 = 4400m.

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)= | ( 350 300 300 ) ( 0 0 1 ) | | ( 350 300 300 ) | | ( 0 0 1 ) | = | 3500 + 3000 + 3001 | 350 2 + 3002 + 300 2 0 2 + 02 + 1 2
= | 300 | 302500 1 0.5455 => α=33.1°

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 300m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 200 auf 9800m (also 9600m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 9600 300 s = 32s lang steigen (bzw. sinken).

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände (ohne windschief)

Beispiel:

Flugzeug Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 5 7 1 ) +t ( -3 8 -6 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (9|2|11) . Nach 5min ist es im Punkt B (-11|42|-19) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 2min 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 AB = ( -20 40 -30 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 5 ( -20 40 -30 ) = ( -4 8 -6 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 9 2 11 ) +t ( -4 8 -6 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 2min an der Stelle P1 ( 5 7 1 ) +2 ( -3 8 -6 ) = ( -1 23 -11 ) und F2 an der Stelle P2 ( 9 2 11 ) +2 ( -4 8 -6 ) = ( 1 18 -1 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-1|23|-11) und P2(1|18|-1):
P1P2 = ( 1-( - 1 ) 18-23 -1-( - 11 ) ) = ( 2 -5 10 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 2 -5 10 ) | = 2 2 + (-5)2 + 10 2 = 129 ≈ 11.357816691601

Der Abstand ist also ca. 11.36 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 -3 t | 7 +8 t | 1 -6 t ) und G2 t ( 9 -4 t | 2 +8 t | 11 -6 t ) minimal wird.

d(t)= | ( 9-4t 2+8t 11-6t ) - ( 5-3t 7+8t 1-6t ) | = | ( 4-1t -5+0t 10+0t ) | soll also minimal werden.

d(t)= ( -x +4 ) 2 + ( 0 -5 ) 2 + ( 0 +10 ) 2
= x 2 -8x +16 +25 +100
= x 2 -8x +141

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 -8 +0

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

mit der notwendigen Bedingung f'(t)=0 erhält man t= 4 als potentielle Extremstelle.

Wegen f''(t)= 2 +0+0 >0 ist also der Tiefpunkt bei t= 4 .

der minimale Abstand ist also d( 4 )= 4 2 -84 +141 = 125 ≈ 11.2