Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

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nach x Minuten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|50|10) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (-350|370|170) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h?
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 12min?
Wie weit ist der Heißluftballon dann geflogen?
Berechne den Winkel mit dem der Heißluftballon steigt?
Wann hat er die Höhe von 2090m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor AB = ( -320 320 160 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( -320 320 160 ) = ( -80 80 40 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-80) 2 + 802 + 40 2 = 14400 = 120.
Die Geschwindigkeit ist also v=120 m min = 7.2 km h

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -30 50 10 ) +t ( -80 80 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 12 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -30 50 10 ) +12 ( -80 80 40 ) = ( -990 1010 490 ) , also im Punkt P(-990|1010|490).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-30|50|10) nach P(-990|1010|490) bewegt, also um den Vektor AP = ( -960 960 480 ) . Dessen Länge ist (-960) 2 + 9602 + 480 2 = 2073600 = 1440m.

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 ) | = | (-80)0 + 800 + 401 | (-80) 2 + 802 + 40 2 0 2 + 02 + 1 2
= | 40 | 14400 1 0.3333 => α=19.5°

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 40m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 10 auf 2090m (also 2080m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 2080 40 min = 52min lang steigen (bzw. sinken).

Bewegungsaufgabe mit geg. Geschwindigkeit

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-20|0|0) und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 324km/h in Richtung des Punktes B (-230|-120|120) (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt es im Punkt B an?
Wann hat das Flugzeug die (absolute) Höhe von 720m 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= 324000 m 3600 s = 90 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -210 -120 120 ) ist (-210) 2 + (-120)2 + 120 2 = 72900 = 270 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 90 m s . braucht er für diese Strecke 270 90 s = 3s.
Punkt B wird als nach 3s erreicht.

In einer s wird also der Vektor 1 3 ( -210 -120 120 ) = ( -70 -40 40 ) zurückgelegt.
Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann so als Gerade g mit g: x = ( -20 0 0 ) +t ( -70 -40 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 40m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 0 auf 720m (also 720m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 720 40 s = 18s lang steigen (bzw. sinken) und ist dann im Punkt mit dem Ortsvektor OP = ( -20 0 0 ) +18 ( -70 -40 40 ) = ( -1280 -720 720 )
Also im Punkt P(-1280|-720|720).

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|40|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (120|-40|40) angelangt.
Welche Höhe hat das Flugzeug, wenn es 13,2 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2 s den Vektor AB = ( 80 -80 40 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 80 -80 40 ) = ( 40 -40 20 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 40 40 0 ) +t ( 40 -40 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 = 40 2 + (-40)2 + 20 2 = 3600 = 60.
Die Geschwindigkeit ist also v=60 m s
Für die Strecke von 13.2 km braucht es also 13200 60 s = 220s
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 40 40 0 ) +220 ( 40 -40 20 ) = ( 8840 -8760 4400 ) , also im Punkt P(8840|-8760|4400).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 4400m.

Zwei Objekte - gleiche Höhe

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (8|-1|0,7) . Nach 4s ist sie im Punkt B (44|-13|1,9) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 41 -28 1,4 ) +t ( -2 6 0,2 ) . (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 = ( 36 -12 1.2 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( 36 -12 1.2 ) = ( 9 -3 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 8 -1 0.7 ) +t ( 9 -3 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 +1,4 = 0,3t +0,7 | -1,4 -0,3t
-0,1t = -0,7 |:(-0,1 )
t = 7

nach 7 s sind also die Drohne F1 und die Seilbahngondel F2 auf gleicher Höhe: 0,27 +1,4 = 2.8 = 0,37 +0,7


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.

( 41 -28 1.4 ) +s ( -2 6 0.2 ) = ( 8 -1 0.7 ) +t ( 9 -3 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

41-2s= 8+9t-28+6s= -1-3t

-2 s -9 t = -33 (I) 6 s +3 t = 27 (II)
-2 s -9 t = -33 (I) 6 s +3 t = 27 (II)

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

-2 s -9 t = -33 (I) ( -6 +6 )s +( -27 +3 )t = ( -99 +27 ) (II)
-2 s -9 t = -33 (I) -24 t = -72 (II)
Zeile (II): -24 t = -72

t = 3

eingesetzt in Zeile (I):

-2 s -9 ·(3 ) = -33 | +27
-2 s = -6 | : (-2)

s = 3

L={( 3 |3 )}

Das heißt also, dass die Drohne F1 nach 3s und die Seilbahngondel F2 nach 3s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne F1 ist also nach 3s bei ( 41 -28 1.4 ) +3 ( -2 6 0.2 ) = ( 35 -10 2 ) , während die Seilbahngondel F2 nach 3s bei ( 8 -1 0.7 ) +3 ( 9 -3 0.3 ) = ( 35 -10 1.6 ) ist.

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(35|-10|2) und P2(35|-10|1.6):
P1P2 = ( 35-35 -10-( - 10 ) 1.6-2 ) = ( 0 0 -0.4 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 0 0 -0.4 ) | = 0 2 + 02 + (-0.4) 2 = 0.16 ≈ 0.4

Der Abstand der beiden Objekte nach 3s ist also 0.16 m ≈ 0.4 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.

( 41 -28 1.4 ) +s ( -2 6 0.2 ) = ( 8 -1 0.7 ) +t ( 9 -3 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

41-2s= 8+9t-28+6s= -1-3t

-2 s -9 t = -33 (I) 6 s +3 t = 27 (II)
-2 s -9 t = -33 (I) 6 s +3 t = 27 (II)

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

-2 s -9 t = -33 (I) ( -6 +6 )s +( -27 +3 )t = ( -99 +27 ) (II)
-2 s -9 t = -33 (I) -24 t = -72 (II)
Zeile (II): -24 t = -72

t = 3

eingesetzt in Zeile (I):

-2 s -9 ·(3 ) = -33 | +27
-2 s = -6 | : (-2)

s = 3

L={( 3 |3 )}

Das heißt also, dass die Drohne F1 nach 3s und die Seilbahngondel F2 nach 3s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne F1 ist also nach 3s bei ( 41 -28 1.4 ) +3 ( -2 6 0.2 ) = ( 35 -10 2 ) , während die Seilbahngondel F2 nach 3s bei ( 8 -1 0.7 ) +3 ( 9 -3 0.3 ) = ( 35 -10 1.6 ) ist.

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

2 - 1.6 = 0.4 m

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 2 -1 2 ) +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 (-8|30|-4) . Nach 5min ist es im Punkt B (32|-30|26) 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?

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Das Flugzeug F2 legt in 5min den Vektor AB = ( 40 -60 30 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 5 ( 40 -60 30 ) = ( 8 -12 6 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -8 30 -4 ) +t ( 8 -12 6 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Das Flugzeug F1 ist nach 4min an der Stelle P1 ( 2 -1 2 ) +4 ( 7 -12 7 ) = ( 30 -49 30 ) und das Flugzeug F2 an der Stelle P2 ( -8 30 -4 ) +4 ( 8 -12 6 ) = ( 24 -18 20 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(30|-49|30) und P2(24|-18|20):
P1P2 = ( 24-30 -18-( - 49 ) 20-30 ) = ( -6 31 -10 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -6 31 -10 ) | = (-6) 2 + 312 + (-10) 2 = 1097 ≈ 33.120990323358

Der Abstand ist also ca. 33.12 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 = ( -8 30 -4 ) +t ( 8 -12 6 ) enthält und parallel zur Geraden g: x = ( 2 -1 2 ) +t ( 7 -12 7 ) ist, also x = ( -8 30 -4 ) + 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(-8|30|-4) 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 = 138

Nun können wir den Abstand zwischen der Geraden g: x = ( 2 -1 2 ) +t ( 7 -12 7 ) und dieser (zu g parallelen) Ebene berechnen, indem wir aus der Geraden einen Punkt, am besten den Aufpunkt (2|-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 = | 6 2+7 ( - 1 )+6 2-138 | 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 ( 2 +7 t | -1 -12 t | 2 +7 t ) und G2 t ( -8 +8 t | 30 -12 t | -4 +6 t ) minimal wird.

d(t)= | ( -8+8t 30-12t -4+6t ) - ( 2+7t -1-12t 2+7t ) | = | ( -10+1t 31+0t -6-1t ) | soll also minimal werden.

d(t)= ( x -10 ) 2 + ( 0 +31 ) 2 + ( -x -6 ) 2
= x 2 -20x +100 +961 + x 2 +12x +36
= 2 x 2 -8x +1097

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 -8 +0

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

mit der notwendigen Bedingung f'(t)=0 erhält man t= 2 als potentielle Extremstelle.

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

der minimale Abstand ist also d( 2 )= 2 2 2 -82 +1097 = 33 ≈ 33 km

nach x Minuten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (100|50|200) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (1150|-850|1100) 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 7400m erreicht?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( 1050 -900 900 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 1050 -900 900 ) = ( 350 -300 300 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 350 2 + (-300)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 = ( 100 50 200 ) +t ( 350 -300 300 ) 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 = ( 100 50 200 ) +11 ( 350 -300 300 ) = ( 3950 -3250 3500 ) , also im Punkt P(3950|-3250|3500).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(100|50|200) nach P(3950|-3250|3500) bewegt, also um den Vektor AP = ( 3850 -3300 3300 ) . Dessen Länge ist 3850 2 + (-3300)2 + 3300 2 = 36602500 = 6050m.

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 + (-300)0 + 3001 | 350 2 + (-300)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 200 auf 7400m (also 7200m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 7200 300 s = 24s lang steigen (bzw. sinken).

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände (ohne windschief)

Beispiel:

Flugzeug Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 7 -7 -2 ) +t ( -6 8 -13 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (23|-20|26) . Nach 4min ist es im Punkt B (-1|12|-30) 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 4min den Vektor AB = ( -24 32 -56 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( -24 32 -56 ) = ( -6 8 -14 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 23 -20 26 ) +t ( -6 8 -14 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 5min an der Stelle P1 ( 7 -7 -2 ) +5 ( -6 8 -13 ) = ( -23 33 -67 ) und F2 an der Stelle P2 ( 23 -20 26 ) +5 ( -6 8 -14 ) = ( -7 20 -44 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-23|33|-67) und P2(-7|20|-44):
P1P2 = ( -7-( - 23 ) 20-33 -44-( - 67 ) ) = ( 16 -13 23 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 16 -13 23 ) | = 16 2 + (-13)2 + 23 2 = 954 ≈ 30.886890422961

Der Abstand ist also ca. 30.89 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 -6 t | -7 +8 t | -2 -13 t ) und G2 t ( 23 -6 t | -20 +8 t | 26 -14 t ) minimal wird.

d(t)= | ( 23-6t -20+8t 26-14t ) - ( 7-6t -7+8t -2-13t ) | = | ( 16+0t -13+0t 28-1t ) | soll also minimal werden.

d(t)= ( 0 +16 ) 2 + ( 0 -13 ) 2 + ( -x +28 ) 2
= 256 +169 + x 2 -56x +784
= x 2 -56x +1209

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 -56 +0

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

mit der notwendigen Bedingung f'(t)=0 erhält man t= 28 als potentielle Extremstelle.

Wegen f''(t)= 2 +0+0 >0 ist also der Tiefpunkt bei t= 28 .

der minimale Abstand ist also d( 28 )= 28 2 -5628 +1209 = 425 ≈ 20.6