Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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nach x Minuten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|-40|40) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (-170|80|160) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h?
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 8min?
Wie weit ist der Heißluftballon dann geflogen?
Berechne den Winkel mit dem der Heißluftballon steigt?
Wann hat er die Höhe von 1360m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB = ( -140 120 120 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -140 120 120 ) = ( -70 60 60 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-70) 2 + 602 + 60 2 = 12100 = 110.
Die Geschwindigkeit ist also v=110 m min = 6.6 km h

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -30 -40 40 ) +t ( -70 60 60 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 8 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -30 -40 40 ) +8 ( -70 60 60 ) = ( -590 440 520 ) , also im Punkt P(-590|440|520).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-30|-40|40) nach P(-590|440|520) bewegt, also um den Vektor AP = ( -560 480 480 ) . Dessen Länge ist (-560) 2 + 4802 + 480 2 = 774400 = 880m.

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)= | ( -70 60 60 ) ( 0 0 1 ) | | ( -70 60 60 ) | | ( 0 0 1 ) | = | (-70)0 + 600 + 601 | (-70) 2 + 602 + 60 2 0 2 + 02 + 1 2
= | 60 | 12100 1 0.5455 => α=33.1°

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 60m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 40 auf 1360m (also 1320m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 1320 60 min = 22min lang steigen (bzw. sinken).

Bewegungsaufgabe mit geg. Geschwindigkeit

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (4|1|654) in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 43,2km/h in Richtung des Punktes B (-4|9|650) (alle Koordinatenangaben in Meter). Ihre Bewegungsbahn soll als geradlinig angenommen werden.
Wann kommt die Seilbahngondel im Punkt B an?
Wann hat sie die (absolute) Höhe von 622m erreicht?
In welchem Punkt befindet die sich dann?

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Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 43200 m 3600 s = 12 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -8 8 -4 ) ist (-8) 2 + 82 + (-4) 2 = 144 = 12 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 12 m s . braucht er für diese Strecke 12 12 s = 1s.
Punkt B wird als nach 1s erreicht.

In einer s wird also der Vektor ( -8 8 -4 ) zurückgelegt.
Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann so als Gerade g mit g: x = ( 4 1 654 ) +t ( -8 8 -4 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um -4m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 654 auf 622m (also -32m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also -32 -4 s = 8s lang steigen (bzw. sinken) und ist dann im Punkt mit dem Ortsvektor OP = ( 4 1 654 ) +8 ( -8 8 -4 ) = ( -60 65 622 )
Also im Punkt P(-60|65|622).

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|-50|30) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-150|40|90) angelangt.
Welche Höhe hat das Flugzeug, wenn es 8,4 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3 s den Vektor AB = ( -180 90 60 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -180 90 60 ) = ( -60 30 20 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 30 -50 30 ) +t ( -60 30 20 ) 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 = (-60) 2 + 302 + 20 2 = 4900 = 70.
Die Geschwindigkeit ist also v=70 m s
Für die Strecke von 8.4 km braucht es also 8400 70 s = 120s
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 30 -50 30 ) +120 ( -60 30 20 ) = ( -7170 3550 2430 ) , also im Punkt P(-7170|3550|2430).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 2430m.

Zwei Objekte - gleiche Höhe

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-51|-7|0,5) . Nach 4s ist sie im Punkt B (-23|-35|1,3) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -3 10 0,9 ) +t ( -4 -9 0,1 ) . (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 = ( 28 -28 0.8 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( 28 -28 0.8 ) = ( 7 -7 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -51 -7 0.5 ) +t ( 7 -7 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 +0,9 = 0,2t +0,5 | -0,9 -0,2t
-0,1t = -0,4 |:(-0,1 )
t = 4

nach 4 s sind also die Drohne F1 und die Seilbahngondel F2 auf gleicher Höhe: 0,14 +0,9 = 1.3 = 0,24 +0,5


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.

( -3 10 0.9 ) +s ( -4 -9 0.1 ) = ( -51 -7 0.5 ) +t ( 7 -7 0.2 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-3-4s= -51+7t10-9s= -7-7t

-4 s -7 t = -48 (I) -9 s +7 t = -17 (II)
-4 s -7 t = -48 (I) -9 s +7 t = -17 (II)

langsame Rechnung einblenden9·(I) -4·(II)

-4 s -7 t = -48 (I) ( -36 +36 )s +( -63 -28 )t = ( -432 +68 ) (II)
-4 s -7 t = -48 (I) -91 t = -364 (II)
Zeile (II): -91 t = -364

t = 4

eingesetzt in Zeile (I):

-4 s -7 ·(4 ) = -48 | +28
-4 s = -20 | : (-4)

s = 5

L={( 5 |4 )}

Das heißt also, dass die Drohne F1 nach 5s und die Seilbahngondel F2 nach 4s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne F1 ist also nach 5s bei ( -3 10 0.9 ) +5 ( -4 -9 0.1 ) = ( -23 -35 1.4 ) , während die Seilbahngondel F2 nach 5s bei ( -51 -7 0.5 ) +5 ( 7 -7 0.2 ) = ( -16 -42 1.5 ) ist.

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-23|-35|1.4) und P2(-16|-42|1.5):
P1P2 = ( -16-( - 23 ) -42-( - 35 ) 1.5-1.4 ) = ( 7 -7 0.1 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 7 -7 0.1 ) | = 7 2 + (-7)2 + 0.1 2 = 98.01 ≈ 9.9

Der Abstand der beiden Objekte nach 5s ist also 98.01 m ≈ 9.9 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.

( -3 10 0.9 ) +s ( -4 -9 0.1 ) = ( -51 -7 0.5 ) +t ( 7 -7 0.2 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-3-4s= -51+7t10-9s= -7-7t

-4 s -7 t = -48 (I) -9 s +7 t = -17 (II)
-4 s -7 t = -48 (I) -9 s +7 t = -17 (II)

langsame Rechnung einblenden9·(I) -4·(II)

-4 s -7 t = -48 (I) ( -36 +36 )s +( -63 -28 )t = ( -432 +68 ) (II)
-4 s -7 t = -48 (I) -91 t = -364 (II)
Zeile (II): -91 t = -364

t = 4

eingesetzt in Zeile (I):

-4 s -7 ·(4 ) = -48 | +28
-4 s = -20 | : (-4)

s = 5

L={( 5 |4 )}

Das heißt also, dass die Drohne F1 nach 5s und die Seilbahngondel F2 nach 4s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne F1 ist also nach 5s bei ( -3 10 0.9 ) +5 ( -4 -9 0.1 ) = ( -23 -35 1.4 ) , während die Seilbahngondel F2 nach 4s bei ( -51 -7 0.5 ) +4 ( 7 -7 0.2 ) = ( -23 -35 1.3 ) ist.

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

1.4 - 1.3 = 0.1 m

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -7 -5 1 ) +t ( -10 -2 11 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (29|10|-29) . Nach 2min ist es im Punkt B (9|2|-5) 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?

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Das Flugzeug F2 legt in 2min den Vektor AB = ( -20 -8 24 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -20 -8 24 ) = ( -10 -4 12 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 29 10 -29 ) +t ( -10 -4 12 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Das Flugzeug F1 ist nach 2min an der Stelle P1 ( -7 -5 1 ) +2 ( -10 -2 11 ) = ( -27 -9 23 ) und das Flugzeug F2 an der Stelle P2 ( 29 10 -29 ) +2 ( -10 -4 12 ) = ( 9 2 -5 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-27|-9|23) und P2(9|2|-5):
P1P2 = ( 9-( - 27 ) 2-( - 9 ) -5-23 ) = ( 36 11 -28 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 36 11 -28 ) | = 36 2 + 112 + (-28) 2 = 2201 ≈ 46.91481642296

Der Abstand ist also ca. 46.91 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 = ( 29 10 -29 ) +t ( -10 -4 12 ) enthält und parallel zur Geraden g: x = ( -7 -5 1 ) +t ( -10 -2 11 ) ist, also x = ( 29 10 -29 ) + r ( -10 -4 12 ) + s ( -10 -2 11 )
Der Normalenvektor dieser Ebene ist der Normalenvektor auf die beiden Richtungsvektoren der Geraden.

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

Wenn wir den Aufpunkt von h Ah(29|10|-29) in die allgemeine Ebenengleichung 2 x 1 + x 2 +2 x 3 = d einsetzen erhalten wir für diese Hilfsebene die Koordinatengleichung:

2 x 1 + x 2 +2 x 3 = 10

Nun können wir den Abstand zwischen der Geraden g: x = ( -7 -5 1 ) +t ( -10 -2 11 ) und dieser (zu g parallelen) Ebene berechnen, indem wir aus der Geraden einen Punkt, am besten den Aufpunkt (-7|-5|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 = | 2 ( - 7 )+1 ( - 5 )+2 1-10 | 2 2 + 1 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 ( -7 -10 t | -5 -2 t | 1 +11 t ) und G2 t ( 29 -10 t | 10 -4 t | -29 +12 t ) minimal wird.

d(t)= | ( 29-10t 10-4t -29+12t ) - ( -7-10t -5-2t 1+11t ) | = | ( 36+0t 15-2t -30+1t ) | soll also minimal werden.

d(t)= ( 0 +36 ) 2 + ( -2x +15 ) 2 + ( x -30 ) 2
= 1296 +4 x 2 -60x +225 + x 2 -60x +900
= 5 x 2 -120x +2421

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 +2421 = 1701 ≈ 41.2 km

nach x Minuten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|10|10) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (170|-110|70) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h?
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 4min?
Wie weit ist der Heißluftballon dann geflogen?
Berechne den Winkel mit dem der Heißluftballon steigt?
Wann hat er die Höhe von 670m erreicht?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB = ( 120 -120 60 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( 120 -120 60 ) = ( 60 -60 30 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 60 2 + (-60)2 + 30 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m min = 5.4 km h

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 50 10 10 ) +t ( 60 -60 30 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 4 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 50 10 10 ) +4 ( 60 -60 30 ) = ( 290 -230 130 ) , also im Punkt P(290|-230|130).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(50|10|10) nach P(290|-230|130) bewegt, also um den Vektor AP = ( 240 -240 120 ) . Dessen Länge ist 240 2 + (-240)2 + 120 2 = 129600 = 360m.

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)= | ( 60 -60 30 ) ( 0 0 1 ) | | ( 60 -60 30 ) | | ( 0 0 1 ) | = | 600 + (-60)0 + 301 | 60 2 + (-60)2 + 30 2 0 2 + 02 + 1 2
= | 30 | 8100 1 0.3333 => α=19.5°

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 30m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 10 auf 670m (also 660m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 660 30 min = 22min 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 -6 -1 ) +t ( -3 4 -5 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (13|-15|17) . Nach 1min ist es im Punkt B (10|-11|11) 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 1min den Vektor AB = ( -3 4 -6 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 13 -15 17 ) +t ( -3 4 -6 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 5min an der Stelle P1 ( 0 -6 -1 ) +5 ( -3 4 -5 ) = ( -15 14 -26 ) und F2 an der Stelle P2 ( 13 -15 17 ) +5 ( -3 4 -6 ) = ( -2 5 -13 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-15|14|-26) und P2(-2|5|-13):
P1P2 = ( -2-( - 15 ) 5-14 -13-( - 26 ) ) = ( 13 -9 13 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 13 -9 13 ) | = 13 2 + (-9)2 + 13 2 = 419 ≈ 20.469489490459

Der Abstand ist also ca. 20.47 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 -3 t | -6 +4 t | -1 -5 t ) und G2 t ( 13 -3 t | -15 +4 t | 17 -6 t ) minimal wird.

d(t)= | ( 13-3t -15+4t 17-6t ) - ( 0-3t -6+4t -1-5t ) | = | ( 13+0t -9+0t 18-1t ) | soll also minimal werden.

d(t)= ( 0 +13 ) 2 + ( 0 -9 ) 2 + ( -x +18 ) 2
= 169 +81 + x 2 -36x +324
= x 2 -36x +574

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 -36 +0

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

mit der notwendigen Bedingung f'(t)=0 erhält man t= 18 als potentielle Extremstelle.

Wegen f''(t)= 2 +0+0 >0 ist also der Tiefpunkt bei t= 18 .

der minimale Abstand ist also d( 18 )= 18 2 -3618 +574 = 250 ≈ 15.8