Pestalozzi Gymnasium Biberach EduRandomtasks

Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-10 | 0 | 20)$ (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B $(-150 | -80 | 100)$ angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 4min?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -140 \\ -80 \\ 80 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{2}$ ⋅ $(\begin{matrix} -140 \\ -80 \\ 80 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -70 \\ -40 \\ 40 \end{matrix})$ zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -10 \\ 0 \\ 20 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -70 \\ -40 \\ 40 \end{matrix})$ 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
$\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} -10 \\ 0 \\ 20 \end{matrix}) + 4 \cdot (\begin{matrix} -70 \\ -40 \\ 40 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -290 \\ -160 \\ 180 \end{matrix})$ , also im Punkt P $(-290 | -160 | 180)$ .

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-200 | -150 | 250)$ (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B $(-1800 | 1450 | 1050)$ angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 12s geflogen?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -1600 \\ 1600 \\ 800 \end{matrix})$ zurück.
In 1s legt es also den Vektor $\frac{1}{4}$ ⋅ $(\begin{matrix} -1600 \\ 1600 \\ 800 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -400 \\ 400 \\ 200 \end{matrix})$ zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -200 \\ -150 \\ 250 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -400 \\ 400 \\ 200 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 12 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
$\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} -200 \\ -150 \\ 250 \end{matrix}) + 12 \cdot (\begin{matrix} -400 \\ 400 \\ 200 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -5000 \\ 4650 \\ 2650 \end{matrix})$ , also im Punkt P $(-5000 | 4650 | 2650)$ .

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A $(-200 | -150 | 250)$ nach P $(-5000 | 4650 | 2650)$ bewegt, also um den Vektor $\vec{AP}$ = $(\begin{matrix} -4800 \\ 4800 \\ 2400 \end{matrix})$ . Dessen Länge ist $\sqrt{{(-4800)}^{2} + 4800^{2} + 2400^{2}} = \sqrt{51840000} = 7200$ m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(0 | -100 | 50)$ (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B $(-400 | 600 | 450)$ angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -400 \\ 700 \\ 400 \end{matrix})$ zurück.
In 1s legt es also den Vektor $\frac{1}{2}$ ⋅ $(\begin{matrix} -400 \\ 700 \\ 400 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -200 \\ 350 \\ 200 \end{matrix})$ zurück. Dieser Vektor hat die Länge = $\sqrt{{(-200)}^{2} + 350^{2} + 200^{2}} = \sqrt{202500} = 450$ .
Die Geschwindigkeit ist also v=450 $\frac{m}{s}$ = 1620 $\frac{km}{h}$

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-20 | 20 | 0)$ (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B $(-230 | -160 | 180)$ angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 1260m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -210 \\ -180 \\ 180 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{3}$ ⋅ $(\begin{matrix} -210 \\ -180 \\ 180 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -70 \\ -60 \\ 60 \end{matrix})$ zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -20 \\ 20 \\ 0 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -70 \\ -60 \\ 60 \end{matrix})$ 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 1260m (also 1260m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also $\frac{1260}{60}$ min = 21min lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(-1 | -4 | 654)$ in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 25,2km/h in Richtung des Punktes B $(8 | -22 | 648)$ (alle Koordinatenangaben in Meter). Ihre Bewegungsbahn soll als geradlinig angenommen werden.
Wann kommt die Seilbahngondel im Punkt B an?

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Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in $\frac{m}{s}$ um: v= $\frac{25200 m}{3600 s}$ = 7 $\frac{m}{s}$ .
Die Länge des Vektors $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 9 \\ -18 \\ -6 \end{matrix})$ ist $\sqrt{9^{2} + {(-18)}^{2} + {(-6)}^{2}} = \sqrt{441} = 21$ m.
Bei einer Geschwindigkeit von 7 $\frac{m}{s}$ . braucht er für diese Strecke $\frac{21}{7}$ s = 3s.
Punkt B wird als nach 3s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(15 | 15 | 0)$ (alle Angaben in Meter). Nach 3min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B $(69 | 96 | -18)$ angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 2,64 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 3 min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 54 \\ 81 \\ -18 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{3}$ ⋅ $(\begin{matrix} 54 \\ 81 \\ -18 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 18 \\ 27 \\ -6 \end{matrix})$ zurück.
Die Geradengleichung $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 15 \\ 15 \\ 0 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 18 \\ 27 \\ -6 \end{matrix})$ 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 = $\sqrt{18^{2} + 27^{2} + {(-6)}^{2}} = \sqrt{1089} = 33$ .
Die Geschwindigkeit ist also v=33 $\frac{m}{\min}$
Für die Strecke von 2.64 km braucht es also $\frac{2640}{33}$ min = 80min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
$\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} 15 \\ 15 \\ 0 \end{matrix}) + 80 \cdot (\begin{matrix} 18 \\ 27 \\ -6 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 1455 \\ 2175 \\ -480 \end{matrix})$ , also im Punkt P $(1455 | 2175 | -480)$ .

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x₃-Koordinate, also -480 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 4 \\ -10 \\ 0 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -15 \\ 0 \\ 5 \end{matrix})$ . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(36 | -3 | -6)$ . Nach 1min ist es im Punkt B $(21 | -5 | 0)$ angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 2min von einander entfernt?

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F2 legt in 1min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -15 \\ -2 \\ 6 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 36 \\ -3 \\ -6 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -15 \\ -2 \\ 6 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 2min an der Stelle P₁ $(\begin{matrix} 4 \\ -10 \\ 0 \end{matrix}) + 2 \cdot (\begin{matrix} -15 \\ 0 \\ 5 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -26 \\ -10 \\ 10 \end{matrix})$ ; F2 an der Stelle P₂ $(\begin{matrix} 36 \\ -3 \\ -6 \end{matrix}) + 2 \cdot (\begin{matrix} -15 \\ -2 \\ 6 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 6 \\ -7 \\ 6 \end{matrix})$ .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P₁

(-26 | -10 | 10)

und P₂

(6 | -7 | 6)

:

\vec{P_{1} P_{2}}

=

(\begin{matrix} 6 - (-26) \\ -7 - (-10) \\ 6 - 10 \end{matrix})

=

(\begin{matrix} 32 \\ 3 \\ -4 \end{matrix})

Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P₁ und P₂
d=|

\vec{P_{1} P_{2}}

| =

| (\begin{matrix} 32 \\ 3 \\ -4 \end{matrix}) |

=

\sqrt{32^{2} + 3^{2} + {(-4)}^{2}}

=

\sqrt{1049}

≈ 32.388269481403

Der Abstand ist also ca. 32.39 km.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(35 | -18 | 1,1)$ . Nach 4s ist sie im Punkt B $(11 | -58 | 1,5)$ angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} -8 \\ 2 \\ 0,8 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 5 \\ -10 \\ 0,2 \end{matrix})$ . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn).
Wann sind die Seilbahngondel und die Drohne auf gleicher Höhe?

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Die Seilbahngondel legt in 4s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -24 \\ -40 \\ 0.4 \end{matrix})$ zurück.
In 1s legt es also den Vektor $\frac{1}{4}$ ⋅ $(\begin{matrix} -24 \\ -40 \\ 0.4 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -6 \\ -10 \\ 0.1 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 35 \\ -18 \\ 1.1 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -6 \\ -10 \\ 0.1 \end{matrix})$ 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:

$0,2 t + 0,8$	=	$0,1 t + 1,1$	\| $- 0,8$ $- 0,1 t$
$0,1 t$	=	$0,3$	\|: $0,1$
$t$	=	$3$

nach 3 s sind also beide auf gleicher Höhe: $0,2 \cdot 3 + 0,8$ = 1.4 = $0,1 \cdot 3 + 1,1$

Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 19 \\ 45 \\ 1,3 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 3 \\ -10 \\ 0,4 \end{matrix})$ . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(10 | -10 | 0,5)$ . Nach 5min ist es im Punkt B $(45 | 15 | 3)$ angelangt.
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 5min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} 35 \\ 25 \\ 2.5 \end{matrix})$ zurück.
In 1min legt es also den Vektor $\frac{1}{5}$ ⋅ $(\begin{matrix} 35 \\ 25 \\ 2.5 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 7 \\ 5 \\ 0.5 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 10 \\ -10 \\ 0.5 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 7 \\ 5 \\ 0.5 \end{matrix})$ 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.

$(\begin{matrix} 19 \\ 45 \\ 1.3 \end{matrix}) + s \cdot (\begin{matrix} 3 \\ -10 \\ 0.4 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 10 \\ -10 \\ 0.5 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 7 \\ 5 \\ 0.5 \end{matrix})$ da ja aber nur die x₁- und x₂-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

$\begin{matrix} 19 & +3 s & = & 10 & +7 t \\ 45 & -10 s & = & -10 & +5 t \end{matrix}$

\begin{matrix} 3 s & - 7 t & = & - 9 & (I) \\ - 10 s & - 5 t & = & - 55 & (II) \end{matrix}

\begin{matrix} 3 s & - 7 t & = & - 9 & (I) \\ - 10 s & - 5 t & = & - 55 & (II) \end{matrix}

langsame Rechnung einblenden $10$ ·(I) + $3$ ·(II)

\begin{matrix} 3 s & - 7 t & = & - 9 & (I) \\ (30 - 30) s & +(- 70 - 15) t & = & (- 90 - 165) & (II) \end{matrix}

\begin{matrix} 3 s & - 7 t & = & - 9 & (I) \\ - 85 t & = & - 255 & (II) \end{matrix}

Zeile (II):

\begin{matrix} - 85 t & = & - 255 \end{matrix}

t = $3$

eingesetzt in Zeile (I):

\begin{matrix} 3 s & - 7 \cdot (3) & = & - 9 \end{matrix}

| +

21

3

s =

12

| : 3

s = $4$

$L = {(4 | 3)}$

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 4min und das Flugzeug F2 nach 3min an diesem 'x₁-x₂-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 4min bei $(\begin{matrix} 19 \\ 45 \\ 1.3 \end{matrix}) + 4 \cdot (\begin{matrix} 3 \\ -10 \\ 0.4 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 31 \\ 5 \\ 2.9 \end{matrix})$ , während das Flugzeug F2 nach 3min bei $(\begin{matrix} 10 \\ -10 \\ 0.5 \end{matrix}) + 3 \cdot (\begin{matrix} 7 \\ 5 \\ 0.5 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 31 \\ 5 \\ 2 \end{matrix})$ ist.

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

2.9 - 2 = 0.9 km

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(40 | 0 | 0)$ (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B $(-50 | 60 | 20)$ angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 5min geflogen?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 1min den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -90 \\ 60 \\ 20 \end{matrix})$ zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 40 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -90 \\ 60 \\ 20 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 5 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
$\vec{OP}$ = $(\begin{matrix} 40 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}) + 5 \cdot (\begin{matrix} -90 \\ 60 \\ 20 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} -410 \\ 300 \\ 100 \end{matrix})$ , also im Punkt P $(-410 | 300 | 100)$ .

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A $(40 | 0 | 0)$ nach P $(-410 | 300 | 100)$ bewegt, also um den Vektor $\vec{AP}$ = $(\begin{matrix} -450 \\ 300 \\ 100 \end{matrix})$ . Dessen Länge ist $\sqrt{{(-450)}^{2} + 300^{2} + 100^{2}} = \sqrt{302500} = 550$ m.

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 0 \\ -5 \\ -2 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} 0 \\ -40 \\ 5 \end{matrix})$ . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A $(10 | 116 | -12)$ . Nach 1s ist sie im Punkt B $(8 | 76 | -6)$ angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 3s von einander entfernt?

Lösung einblenden

Die Seilbahngondel legt in 1s den Vektor $\vec{AB}$ = $(\begin{matrix} -2 \\ -40 \\ 6 \end{matrix})$ zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 10 \\ 116 \\ -12 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -2 \\ -40 \\ 6 \end{matrix})$ dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 3s an der Stelle P₁ $(\begin{matrix} 0 \\ -5 \\ -2 \end{matrix}) + 3 \cdot (\begin{matrix} 0 \\ -40 \\ 5 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 0 \\ -125 \\ 13 \end{matrix})$ ; Die Seilbahngondel an der Stelle P₂ $(\begin{matrix} 10 \\ 116 \\ -12 \end{matrix}) + 3 \cdot (\begin{matrix} -2 \\ -40 \\ 6 \end{matrix})$ = $(\begin{matrix} 4 \\ -4 \\ 6 \end{matrix})$ .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P₁

(0 | -125 | 13)

und P₂

(4 | -4 | 6)

:

\vec{P_{1} P_{2}}

=

(\begin{matrix} 4 - 0 \\ -4 - (-125) \\ 6 - 13 \end{matrix})

=

(\begin{matrix} 4 \\ 121 \\ -7 \end{matrix})

Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P₁ und P₂
d=|

\vec{P_{1} P_{2}}

| =

| (\begin{matrix} 4 \\ 121 \\ -7 \end{matrix}) |

=

\sqrt{4^{2} + 121^{2} + {(-7)}^{2}}

=

\sqrt{14706}

≈ 121.26829758845

Der Abstand ist also ca. 121.27 m.

Aufgabenbeispiele von Bewegungsaufgaben

Ort nach t Zeiteinheiten

Strecke nach t Zeiteinheiten

Geschwindigkeit in km/h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Geschwindigkeit rückwärts

Höhe nach x Kilometern

Abstand zweier Objekte

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Höhendifferenz der Flugbahnen

Strecke nach t Zeiteinheiten

Abstand zweier Objekte