Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen


Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|-20|50) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (80|50|110) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 2min?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 1min den Vektor AB = ( 60 70 60 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 20 -20 50 ) +t ( 60 70 60 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 2 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 20 -20 50 ) +2 ( 60 70 60 ) = ( 140 120 170 ) , also im Punkt P(140|120|170).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|-250|150) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-800|-1050|550) angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 6s geflogen?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( -800 -800 400 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( -800 -800 400 ) = ( -400 -400 200 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 0 -250 150 ) +t ( -400 -400 200 ) 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 = ( 0 -250 150 ) +6 ( -400 -400 200 ) = ( -2400 -2650 1350 ) , also im Punkt P(-2400|-2650|1350).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(0|-250|150) nach P(-2400|-2650|1350) bewegt, also um den Vektor AP = ( -2400 -2400 1200 ) . Dessen Länge ist (-2400) 2 + (-2400)2 + 1200 2 = 12960000 = 3600m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (150|50|150) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (850|450|550) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( 700 400 400 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 700 400 400 ) = ( 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

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|50|0) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (-270|-230|240) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 2640m erreicht?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor AB = ( -240 -280 240 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( -240 -280 240 ) = ( -60 -70 60 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -30 50 0 ) +t ( -60 -70 60 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 60m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 0 auf 2640m (also 2640m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 2640 60 min = 44min lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|-10|50) und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 324km/h in Richtung des Punktes B (80|60|90) (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt es im Punkt B an?

Lösung einblenden

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 = ( 40 70 40 ) ist 40 2 + 702 + 40 2 = 8100 = 90 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 90 m s . braucht er für diese Strecke 90 90 s = 1s.
Punkt B wird als nach 1s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-3|12|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (33|-30|-36) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 6,6 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 2 min den Vektor AB = ( 36 -42 -36 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( 36 -42 -36 ) = ( 18 -21 -18 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -3 12 0 ) +t ( 18 -21 -18 ) 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 = 18 2 + (-21)2 + (-18) 2 = 1089 = 33.
Die Geschwindigkeit ist also v=33 m min
Für die Strecke von 6.6 km braucht es also 6600 33 min = 200min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -3 12 0 ) +200 ( 18 -21 -18 ) = ( 3597 -4188 -3600 ) , also im Punkt P(3597|-4188|-3600).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -3600 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 9 1 1 ) +t ( 5 0 -15 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-3|10|48) . Nach 1min ist es im Punkt B (3|8|33) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 1min von einander entfernt?

Lösung einblenden

F2 legt in 1min den Vektor AB = ( 6 -2 -15 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -3 10 48 ) +t ( 6 -2 -15 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 1min an der Stelle P1 ( 9 1 1 ) +1 ( 5 0 -15 ) = ( 14 1 -14 ) ; F2 an der Stelle P2 ( -3 10 48 ) +1 ( 6 -2 -15 ) = ( 3 8 33 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(14|1|-14) und P2(3|8|33):
P1P2 = ( 3-14 8-1 33-( - 14 ) ) = ( -11 7 47 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -11 7 47 ) | = (-11) 2 + 72 + 47 2 = 2379 ≈ 48.774993593029

Der Abstand ist also ca. 48.77 km.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-11|37|2,5) . Nach 4s ist sie im Punkt B (-3|29|3,7) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 1 1 0,5 ) +t ( 0 3 0,5 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn).
Wann sind die Seilbahngondel und die Drohne auf gleicher Höhe?

Lösung einblenden

Die Seilbahngondel legt in 4s den Vektor AB = ( 8 -8 1.2 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( 8 -8 1.2 ) = ( 2 -2 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -11 37 2.5 ) +t ( 2 -2 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 +2,5 | -0,5 -0,3t
0,2t = 2 |:0,2
t = 10

nach 10 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,510 +0,5 = 5.5 = 0,310 +2,5


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-7|0|1,2) . Nach 4s ist sie im Punkt B (-7|-8|1,6) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -70 -64 0 ) +t ( 9 8 0,3 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn).
Es gibt einen Zeitpunkt, an dem die Drohne genau über der Seilbahn ist. Berechne den vertikalen Höhenunterschied zwischen Drohne und Seilbahn an dieser Stelle.

Lösung einblenden

Die Seilbahngondel legt in 4s den Vektor AB = ( 0 -8 0.4 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( 0 -8 0.4 ) = ( 0 -2 0.1 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -7 0 1.2 ) +t ( 0 -2 0.1 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Den scheinbaren Schnittpunkt der beiden Bewegungsbahnen, den man von direkt darüber oder direkt darunter sehen könnte, berechnet man indem man die x1- und x2-Koordinaten der beiden Geradengleichungen gleichsetzt.

( -70 -64 0 ) +s ( 9 8 0.3 ) = ( -7 0 1.2 ) +t ( 0 -2 0.1 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-70+9s= -7+0t-64+8s= 0-2t

9s = 63 (I) 8s +2t = 64 (II)
9s = 63 (I) 8s +2t = 64 (II)

langsame Rechnung einblenden8·(I) -9·(II)

9s = 63 (I) ( 72 -72 )s +(0 -18 )t = ( 504 -576 ) (II)
9s = 63 (I) -18t = -72 (II)
Zeile (II): -18t = -72

t = 4

eingesetzt in Zeile (I):

9s = 63

s = 7

L={(7 |4 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 7s und die Seilbahngondel nach 4s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 7s bei ( -70 -64 0 ) +7 ( 9 8 0.3 ) = ( -7 -8 2.1 ) , während die Seilbahngondel nach 4s bei ( -7 0 1.2 ) +4 ( 0 -2 0.1 ) = ( -7 -8 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 - 1.6 = 0.5 m

Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|-40|20) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (30|100|100) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 11min?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB = ( 80 140 80 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( 80 140 80 ) = ( 40 70 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -50 -40 20 ) +t ( 40 70 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 11 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -50 -40 20 ) +11 ( 40 70 40 ) = ( 390 730 460 ) , also im Punkt P(390|730|460).

Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-200|-250|250) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-1100|-1150|700) angelangt.
Wo ist die Rakete nach 4s?

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.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -200 -250 250 ) +t ( -300 -300 150 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 4 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -200 -250 250 ) +4 ( -300 -300 150 ) = ( -1400 -1450 850 ) , also im Punkt P(-1400|-1450|850).