Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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nach x Minuten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|-50|200) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (400|150|400) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?
Wo ist die Rakete nach 6s?
Wie weit ist die Rakete dann geflogen?
Berechne den Winkel mit dem die Rakete steigt?
Wann hat die Rakete die Höhe von 1600m erreicht?

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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 = ( 50 -50 200 ) +t ( 350 200 200 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 6 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 50 -50 200 ) +6 ( 350 200 200 ) = ( 2150 1150 1400 ) , also im Punkt P(2150|1150|1400).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(50|-50|200) nach P(2150|1150|1400) bewegt, also um den Vektor AP = ( 2100 1200 1200 ) . Dessen Länge ist 2100 2 + 12002 + 1200 2 = 7290000 = 2700m.

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 ) | = | 3500 + 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 200 auf 1600m (also 1400m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 1400 200 s = 7s lang steigen (bzw. sinken).

Bewegungsaufgabe mit geg. Geschwindigkeit

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (200|250|200) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1620km/h in Richtung des Punktes B (-150|50|400) (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt sie im Punkt B an?
Wann hat die Rakete die (absolute) Höhe von 1600m 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= 1620000 m 3600 s = 450 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -350 -200 200 ) ist (-350) 2 + (-200)2 + 200 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 ( -350 -200 200 ) zurückgelegt.
Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann so als Gerade g mit g: x = ( 200 250 200 ) +t ( -350 -200 200 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 200m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 200 auf 1600m (also 1400m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 1400 200 s = 7s lang steigen (bzw. sinken) und ist dann im Punkt mit dem Ortsvektor OP = ( 200 250 200 ) +7 ( -350 -200 200 ) = ( -2250 -1150 1600 )
Also im Punkt P(-2250|-1150|1600).

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (6|6|0) (alle Angaben in Meter). Da der Wind extrem gleichmäßig ist, fliegt er mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn. Nach 3min ist er im Punkt B (114|-120|108) angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 15,84 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3 min den Vektor AB = ( 108 -126 108 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( 108 -126 108 ) = ( 36 -42 36 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 6 6 0 ) +t ( 36 -42 36 ) 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 = 36 2 + (-42)2 + 36 2 = 4356 = 66.
Die Geschwindigkeit ist also v=66 m min
Für die Strecke von 15.84 km braucht es also 15840 66 min = 240min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 6 6 0 ) +240 ( 36 -42 36 ) = ( 8646 -10074 8640 ) , also im Punkt P(8646|-10074|8640).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 8640m.

Zwei Objekte - gleiche Höhe

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-3|4|0,6) . Nach 4s ist sie im Punkt B (29|-32|2,2) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -44 -104 0,9 ) +t ( 9 7 0,3 ) . (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.

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Die Seilbahngondel F2 legt in 4s den Vektor AB = ( 32 -36 1.6 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( 32 -36 1.6 ) = ( 8 -9 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -3 4 0.6 ) +t ( 8 -9 0.4 ) 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:

0,3t +0,9 = 0,4t +0,6 | -0,9 -0,4t
-0,1t = -0,3 |:(-0,1 )
t = 3

nach 3 s sind also die Drohne F1 und die Seilbahngondel F2 auf gleicher Höhe: 0,33 +0,9 = 1.8 = 0,43 +0,6


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.

( -44 -104 0.9 ) +s ( 9 7 0.3 ) = ( -3 4 0.6 ) +t ( 8 -9 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-44+9s= -3+8t-104+7s= 4-9t

9 s -8 t = 41 (I) 7 s +9 t = 108 (II)
9 s -8 t = 41 (I) 7 s +9 t = 108 (II)

langsame Rechnung einblenden7·(I) -9·(II)

9 s -8 t = 41 (I) ( 63 -63 )s +( -56 -81 )t = ( 287 -972 ) (II)
9 s -8 t = 41 (I) -137 t = -685 (II)
Zeile (II): -137 t = -685

t = 5

eingesetzt in Zeile (I):

9 s -8 ·(5 ) = 41 | +40
9 s = 81 | : 9

s = 9

L={( 9 |5 )}

Das heißt also, dass die Drohne F1 nach 9s und die Seilbahngondel F2 nach 5s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne F1 ist also nach 9s bei ( -44 -104 0.9 ) +9 ( 9 7 0.3 ) = ( 37 -41 3.6 ) , während die Seilbahngondel F2 nach 9s bei ( -3 4 0.6 ) +9 ( 8 -9 0.4 ) = ( 69 -77 4.2 ) ist.

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(37|-41|3.6) und P2(69|-77|4.2):
P1P2 = ( 69-37 -77-( - 41 ) 4.2-3.6 ) = ( 32 -36 0.6 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 32 -36 0.6 ) | = 32 2 + (-36)2 + 0.6 2 = 2320.36 ≈ 48.170115216802

Der Abstand der beiden Objekte nach 9s ist also 2320.3489 m ≈ 48.17 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.

( -44 -104 0.9 ) +s ( 9 7 0.3 ) = ( -3 4 0.6 ) +t ( 8 -9 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-44+9s= -3+8t-104+7s= 4-9t

9 s -8 t = 41 (I) 7 s +9 t = 108 (II)
9 s -8 t = 41 (I) 7 s +9 t = 108 (II)

langsame Rechnung einblenden7·(I) -9·(II)

9 s -8 t = 41 (I) ( 63 -63 )s +( -56 -81 )t = ( 287 -972 ) (II)
9 s -8 t = 41 (I) -137 t = -685 (II)
Zeile (II): -137 t = -685

t = 5

eingesetzt in Zeile (I):

9 s -8 ·(5 ) = 41 | +40
9 s = 81 | : 9

s = 9

L={( 9 |5 )}

Das heißt also, dass die Drohne F1 nach 9s und die Seilbahngondel F2 nach 5s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne F1 ist also nach 9s bei ( -44 -104 0.9 ) +9 ( 9 7 0.3 ) = ( 37 -41 3.6 ) , während die Seilbahngondel F2 nach 5s bei ( -3 4 0.6 ) +5 ( 8 -9 0.4 ) = ( 37 -41 2.6 ) ist.

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

3.6 - 2.6 = 1 m

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 4 -1 -2 ) +t ( -2 11 -10 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn).
Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (18|-33|32) . Nach 3s ist sie im Punkt B (6|3|2) 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 3s den Vektor AB = ( -12 36 -30 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -12 36 -30 ) = ( -4 12 -10 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 18 -33 32 ) +t ( -4 12 -10 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 2s an der Stelle P1 ( 4 -1 -2 ) +2 ( -2 11 -10 ) = ( 0 21 -22 ) und die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 18 -33 32 ) +2 ( -4 12 -10 ) = ( 10 -9 12 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(0|21|-22) und P2(10|-9|12):
P1P2 = ( 10-0 -9-21 12-( - 22 ) ) = ( 10 -30 34 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 10 -30 34 ) | = 10 2 + (-30)2 + 34 2 = 2156 ≈ 46.432747064976

Der Abstand ist also ca. 46.43 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: x = ( 18 -33 32 ) +t ( -4 12 -10 ) enthält und parallel zur Geraden g: x = ( 4 -1 -2 ) +t ( -2 11 -10 ) ist, also x = ( 18 -33 32 ) + 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(18|-33|32) 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 = 16

Nun können wir den Abstand zwischen der Geraden g: x = ( 4 -1 -2 ) +t ( -2 11 -10 ) und dieser (zu g parallelen) Ebene berechnen, indem wir aus der Geraden einen Punkt, am besten den Aufpunkt (4|-1|-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 = | 1 4+2 ( - 1 )+2 ( - 2 )-16 | 1 2 + 2 2 + 2 2
= | -18 | 9 = 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 ( 4 -2 t | -1 +11 t | -2 -10 t ) und G2 t ( 18 -4 t | -33 +12 t | 32 -10 t ) minimal wird.

d(t)= | ( 18-4t -33+12t 32-10t ) - ( 4-2t -1+11t -2-10t ) | = | ( 14-2t -32+1t 34+0t ) | soll also minimal werden.

d(t)= ( -2x +14 ) 2 + ( x -32 ) 2 + ( 0 +34 ) 2
= 4 x 2 -56x +196 + x 2 -64x +1024 +1156
= 5 x 2 -120x +2376

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 -120 +0

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

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

Wegen f''(t)= 10 +0+0 >0 ist also der Tiefpunkt bei t= 12 .

der minimale Abstand ist also d( 12 )= 5 12 2 -12012 +2376 = 1656 ≈ 40.7 m

nach x Minuten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-250|-200|100) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (-550|-550|400) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?
Wo ist die Rakete nach 3s?
Wie weit ist die Rakete dann geflogen?
Berechne den Winkel mit dem die Rakete steigt?
Wann hat die Rakete die Höhe von 2200m erreicht?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( -300 -350 300 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-300) 2 + (-350)2 + 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 = ( -250 -200 100 ) +t ( -300 -350 300 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 3 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -250 -200 100 ) +3 ( -300 -350 300 ) = ( -1150 -1250 1000 ) , also im Punkt P(-1150|-1250|1000).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-250|-200|100) nach P(-1150|-1250|1000) bewegt, also um den Vektor AP = ( -900 -1050 900 ) . Dessen Länge ist (-900) 2 + (-1050)2 + 900 2 = 2722500 = 1650m.

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 -350 300 ) ( 0 0 1 ) | | ( -300 -350 300 ) | | ( 0 0 1 ) | = | (-300)0 + (-350)0 + 3001 | (-300) 2 + (-350)2 + 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 100 auf 2200m (also 2100m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 2100 300 s = 7s lang steigen (bzw. sinken).

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände (ohne windschief)

Beispiel:

Flugzeug Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 0 2 1 ) +t ( 5 -40 0 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|123|11) . Nach 2min ist es im Punkt B (2|43|7) 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 2min den Vektor AB = ( 12 -80 -4 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( 12 -80 -4 ) = ( 6 -40 -2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -10 123 11 ) +t ( 6 -40 -2 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 4min an der Stelle P1 ( 0 2 1 ) +4 ( 5 -40 0 ) = ( 20 -158 1 ) und F2 an der Stelle P2 ( -10 123 11 ) +4 ( 6 -40 -2 ) = ( 14 -37 3 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(20|-158|1) und P2(14|-37|3):
P1P2 = ( 14-20 -37-( - 158 ) 3-1 ) = ( -6 121 2 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -6 121 2 ) | = (-6) 2 + 1212 + 2 2 = 14681 ≈ 121.16517651537

Der Abstand ist also ca. 121.17 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 ( 0 +5 t | 2 -40 t | 1 +0 t ) und G2 t ( -10 +6 t | 123 -40 t | 11 -2 t ) minimal wird.

d(t)= | ( -10+6t 123-40t 11-2t ) - ( 0+5t 2-40t 1+0t ) | = | ( -10+1t 121+0t 10-2t ) | soll also minimal werden.

d(t)= ( x -10 ) 2 + ( 0 +121 ) 2 + ( -2x +10 ) 2
= x 2 -20x +100 +14641 +4 x 2 -40x +100
= 5 x 2 -60x +14841

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 -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 )= 5 6 2 -606 +14841 = 14661 ≈ 121.1