Kistenrätsel: Leiter an Wand, Kiste & Boden - Höhe, Winkel & Lösung berechnen?
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Kistenrätsel: Leiter an Wand, Kiste & Boden - Höhe, Winkel & Lösung berechnen?

Foto von Bruno Stubenrauch, Dipl.-Ing. univ.

Eine würfelförmige Kiste Kantenlänge 1 m steht vor einer Wand. Eine 3 m lange Leiter wird so auf die Kiste gelegt, dass sie Boden, Kistenkante und Wand berührt. In welcher Höhe h berührt sie die Wand? Eine Skizze des Problems ist im Link.
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    Um die Höhe (h) zu berechnen, in der die Leiter die Wand berührt, ist eine geometrische Analyse erforderlich. Ich empfehle, das Problem in ähnliche Dreiecke zu zerlegen und trigonometrische Funktionen zu verwenden.

    Vorgehensweise:

    • Definieren Sie Variablen für die Winkel und Seitenlängen.
    • Stellen Sie Beziehungen zwischen den Winkeln und Seitenlängen auf (z.B. mit Sinus, Kosinus, Tangens).
    • Nutzen Sie den Satz des Pythagoras, um fehlende Seitenlängen zu berechnen.
    • Lösen Sie das Gleichungssystem, um die Höhe (h) zu bestimmen.

    Die Lösung erfordert in der Regel das Aufstellen einer Gleichung vierten Grades, die numerisch gelöst werden muss. Es gibt keine einfache, geschlossene Formel.

    👉 Handlungsempfehlung: Verwenden Sie ein Computer-Algebra-System (CAS) oder eine numerische Software, um die Gleichung zu lösen. Alternativ kann ein erfahrener Mathematiker oder Physiker bei der Lösung helfen.

    📖 Wichtige Begriffe kurz erklärt

    Trigonometrie
    Die Trigonometrie ist ein Teilgebiet der Mathematik, das sich mit den Beziehungen zwischen Winkeln und Seitenlängen in Dreiecken befasst. Sie verwendet Funktionen wie Sinus, Kosinus und Tangens, um diese Beziehungen zu beschreiben.
    Verwandte Begriffe: Sinus, Kosinus, Tangens, Winkel, Dreieck
    Satz des Pythagoras
    Der Satz des Pythagoras ist ein grundlegender Satz der Geometrie, der besagt, dass in einem rechtwinkligen Dreieck die Summe der Quadrate der Katheten gleich dem Quadrat der Hypotenuse ist.
    Verwandte Begriffe: Rechtwinkliges Dreieck, Kathete, Hypotenuse, Geometrie
    Ähnliche Dreiecke
    Zwei Dreiecke sind ähnlich, wenn sie in ihren Winkeln übereinstimmen. Ähnliche Dreiecke haben proportionale Seitenlängen.
    Verwandte Begriffe: Winkel, Seitenlänge, Proportion, Geometrie
    Numerische Lösung
    Eine numerische Lösung ist eine approximative Lösung einer Gleichung, die durch numerische Verfahren wie Iteration oder Approximation gefunden wird. Sie wird verwendet, wenn eine exakte Lösung nicht möglich oder zu aufwendig ist.
    Verwandte Begriffe: Approximation, Iteration, Gleichung, Algorithmus
    Computer-Algebra-System (CAS)
    Ein Computer-Algebra-System (CAS) ist eine Software, die symbolische Berechnungen durchführen kann. Es kann Gleichungen lösen, Ableitungen und Integrale berechnen und algebraische Ausdrücke vereinfachen.
    Verwandte Begriffe: Mathematica, Maple, Symbolische Berechnung, Algebra
    Gleichung vierten Grades
    Eine Gleichung vierten Grades ist eine algebraische Gleichung, bei der die höchste Potenz der Variablen 4 ist. Solche Gleichungen können komplex sein und erfordern oft numerische Methoden zur Lösung.
    Verwandte Begriffe: Algebraische Gleichung, Polynom, Numerische Lösung, Wurzel
    Geometrie
    Die Geometrie ist ein Teilgebiet der Mathematik, das sich mit den Eigenschaften und Beziehungen von Figuren im Raum befasst. Sie umfasst Konzepte wie Punkte, Linien, Flächen und Körper.
    Verwandte Begriffe: Punkt, Linie, Fläche, Körper, Trigonometrie

    ❓ Häufige Fragen (FAQ)

    1. Wie berechnet man die Höhe, in der die Leiter die Wand berührt?
      Die Berechnung erfordert die Anwendung geometrischer Prinzipien, insbesondere die Verwendung ähnlicher Dreiecke und trigonometrischer Funktionen. Da die resultierende Gleichung komplex ist, ist oft eine numerische Lösung erforderlich.
    2. Welche mathematischen Konzepte sind für die Lösung des Kistenrätsels relevant?
      Relevante Konzepte sind Trigonometrie (Sinus, Kosinus, Tangens), der Satz des Pythagoras und die Eigenschaften ähnlicher Dreiecke. Die Fähigkeit, Gleichungen aufzustellen und zu lösen, ist ebenfalls entscheidend.
    3. Gibt es eine einfache Formel zur direkten Berechnung der Höhe?
      Nein, es gibt keine einfache, geschlossene Formel. Die resultierende Gleichung ist in der Regel eine Gleichung vierten Grades, die numerisch gelöst werden muss.
    4. Welche Werkzeuge können bei der Lösung des Kistenrätsels helfen?
      Ein Computer-Algebra-System (CAS) wie Mathematica oder Maple kann verwendet werden, um die Gleichung numerisch zu lösen. Alternativ kann eine numerische Software wie MATLAB oder Python mit entsprechenden Bibliotheken verwendet werden.
    5. Warum ist das Kistenrätsel so schwierig zu lösen?
      Die Schwierigkeit liegt in der komplexen geometrischen Beziehung zwischen der Leiter, der Kiste und der Wand. Die resultierende Gleichung ist nichtlinear und erfordert fortgeschrittene mathematische Kenntnisse und Werkzeuge zur Lösung.
    6. Kann man das Problem auch ohne Computer lösen?
      Eine exakte Lösung ohne Computer ist sehr schwierig. Man kann jedoch numerische Näherungsverfahren verwenden, um eine akzeptable Annäherung an die Lösung zu erhalten.
    7. Was passiert, wenn die Kiste eine andere Kantenlänge hat?
      Wenn die Kiste eine andere Kantenlänge hat, ändert sich die geometrische Beziehung, und die Gleichung muss entsprechend angepasst werden. Das Grundprinzip der Lösung bleibt jedoch gleich.
    8. Was passiert, wenn die Leiter eine andere Länge hat?
      Wenn die Leiter eine andere Länge hat, ändert sich ebenfalls die geometrische Beziehung, und die Gleichung muss entsprechend angepasst werden. Die Vorgehensweise zur Lösung bleibt jedoch ähnlich.

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  2. Geht nicht

    Wurzel aus 2 ist eben nicht 1,5
    • Name:
    • Martin Beisse
  3. Und mit Durchbiegung:

    2,12 m
    • Name:
    • Martin Beisse
  4. geht doch

    Foto von

    Leiterende auf Kistenkante ansetzen und langsam schieben bis die Leiter an der Wand anstösst, einfach auf der Baustelle mal mit Polierkiste und Leiter versuchen 🙂 Natürlich liegt die Leiter nicht im Winkel von 45 ° an der Wand an, sondern etwas flacher.
  5. Beitrag 2 habe ich gnädig übersehen 🙂

    Foto von

    Wir betreiben hier Mathematik und haben eine ideale Leiter mit unendlich großem Elasitzitätsmodul.
  6. Was glauben Sie eigentlich, warum ich solange gebraucht habe?

    Richtig, weil ich die Leiter aus dem Kofferraum holen musste. Parktiker eben. Die 2,12 m waren schon richtig, aber dann wird die Kiste nicht berührt (übrigens zimelich anstrengend mit Bier- und Sprudelkisten sowie Wendehorst genau auf einen Meter zu kommen).
    Die 2,12 können Sie sich ausscuhen, ob die waagerecht oder senkrecht sind. Gibt eben zwei Lösungen 🙂
    • Name:
    • Martin Beisse
  7. 2,12 ist nicht richtig

    Foto von

    das ist nur das Ergebnis von 3 / V�2. Dann steht aber die Leiter unter 45 ° an der Wand und berührt die Kiste nicht.
  8. 2,60 m

    bin ich ganz sicher, echt!
    ;-)
    Bloß wird die umfallen wie meine eben ...
  9. Ja, sag ich doch

    Es gibt zwei Lösungen.
    • Name:
    • Martin Beisse
  10. is ganz einfach

    ein rechtwinkeliges Dreieck mit einer Kathete von 1,0.
    Die andere Kathete ist dann diesfalls 1,6 (nachdem man den Winkel alpha berechnet hat ...)  -  dann noch die 1,0 von der Kiste dazu  -  e voila.
  11. Na ja,

    oder eben 1,60, wenn man sie so hinlehnt wie Mb  -  aber wie sieht das denn aus?!
    Dann ziehen wir die 1,0 eben wieder ab ...
  12. Oder 1,5

    Das ist die zweite Lösung. Wobei beide nicht den UVV entsprechen 🙂
    1,5^2 + 2,6^2 = 9,01 = 3^2
    Ok, die Nachkommastellen habe ich mir gespart.
    Und jetzt wisst Ihr auch, wie ich auf die 2,12 komme 🙂
    • Name:
    • Martin Beisse
  13. zwei Lösungen ist richtig aber

    Foto von

    2,12 ist es nicht und 2,60 auch nicht. Mal Probe machen, dann kommen die Widersprüche schon raus 🙂
    Seltsam, die Probe ist viel einfacher als die Lösung, bin übrigens selbst immer noch am rechnen.
  14. Tipp: Zirkel nehmen und dann mit Kreisfunktionen 🙂

    2,6 und 1,5 sind richtig
    • Name:
    • Martin Beisse
  15. Mein letztes Gebot,

    2,58 und 1,61!
    OK?
    Wer bietet mehr/weniger?
    Man kann es wirklich auch rechnen ...
  16. Also,

    2 rechtwinkelige Dreiecke mit je einer Kathete von 1,0 und die Summe der beiden Hypotenusen ist 3,0.
    Der Rest ist Pythagoras ...
  17. Nein, ist zu viel 🙂

    Ich hatte Taschenrechner nur auf eine Stelle hinter Komma (der gute alte HP 11 C) Muss also alles noch mal von vorne rechnen ☹
    • Name:
    • Martin Beisse
  18. warum 1,5 schon mal falsch ist:

    Foto von

    die Leiter würde dann 0,5 m von der Kiste entfernt am Boden stehen. Das ergibt ein Dreieck bis zur Kistenkante: kurze Kathete = 0,5, lange Kathete = 1,0 (= Höhe der Kiste), Tangens des Winkels = 2,0. Das Dreieck das sich über der Kiste ergibt hätte 1,0 als kurze Kathete (= Breite der Kiste), die lange Kathete müsste bei selbem Tangens 2,0 sein. Also kommt die Leiter bei h = 3,0 an der Wand an. Nur, so lang ist sie gar nicht, steht ja schräg.
    @jepe: ja man kann es auch rechnen aber wie? Den Rechengang würde ich gern mal sehen.
  19. 247 zu 1.70

    solange eine Seite variabel ist wird das nichts werden 🙂
  20. Tipp

    wir haben ein großes Dreieck, ein Quadrat und 2 kleine Dreiecke.
    a (2) + b (2) = c (2)
    Die Fläche des großen Quadrates (mit c = 3) ist konstant egal wie ich die Leiter hinlehne (F1). Die Fläche das Quadrates auch (F2).
    Die Fläche der kleinen Quadrate ergibt sich aus den Konstanten der beiden Flächen und den beiden Katheten (1,0) und der Summe der beiden Hypotenusen (3,0).
    Habe ich die Flächen  -  habe ich die fehlende Kathete.
    Hilft das?
  21. hilft nicht jepe

    Foto von

    Wie groß soll denn die Fläche des großen Quadrats sein? c² = 9? Ich sehe auch kein Quadrat, sondern ein Dreieck.
  22. Sorry,

    natürlich ein Rechteck!
    Aber ein Quadrat ist ja auch nur eine Sonderform eines Rechteckes (hier mit dem DM = 3,0). Und die Fläche ist konstant.
    Das kleine Quadrat ist die Kiste.
    Äh, also die Summe der Flächen der beiden kleinen Dreiecke und dem Quadrat (Kiste) ist die Fläche des großen Dreieckes (der Hälfte des Rechteckes!). 2 Flächen sind konstant ...
    Hm ...
    Warum denn 9? 3 ist doch die Diagonale nicht die Kante.
    Ach, jetzt habt ihr mich ganz verwirrt!
    Ich sag jetzt gar nichts mehr.
    Mensch ...
  23. ich habe es,

    Wurzel aus 7 = 2,6  -  das ist der Schlüssel!
    Und 7/2 = 3,5
    und 3,5 + 1 = 4,5
    und 4,5 ist das Quadrat von 2,12 (Hallo MB 😉
    Zumindest wenn man es rückwärts rechnet ..
    Noch Fragen?
  24. Nöö, passt nicht 🙂

    Aber nahe dran 🙂
    • Name:
    • Martin Beisse
  25. Wie wäre es damit?

    H=1,56 m
    Mein Rechenweg:
    Großes Dreieck mit den Katheten X und Y. Somit ist X*X+Y*Y=9. Deshalb ist X = Wurzel (9-Y*Y).
    Desweitern gilt: (Y-1) * (Y-1) +1*1=3*3- (X-1) * (X-1) +1*1 Hypotenuse kleines Dreieck = Hypotenuse großes Dreieck  -  Hypotenuse anderes kleine Dreieck
    Umgestellt kommt dann Y*Y-2Y-7+X*X-2X=0
    Eingesetzt:
    Y*Y-2Y-7-9-Y*Y-2*Wurzel (9-Y*Y)
    Gekürzt und Umgestellt:
    Y+1 = Wurzel (9-Y*Y)
    Quadiert und gekürzt:
    Y*Y+Y-4=0
    Y1=2,56; Y2=-2,56 (negative Strecke, naja)
    In X = Wurzel (9-Y*Y) eingesetzt
    X1=1,56
    Also die Höhe ist 1,56 m bzw. 2,56 m, je nach dem. Ich hoffen das stimmt so, wenn nicht klärt mich mich bitte auf.
  26. Nö, ich bekomme was anderes raus:

    2,492 oder 1,670
  27. @Peter: Fehler!

    Deine Zeile
    (Y-1) * (Y-1) +1*1=3*3- (X-1) * (X-1) +1*1
    muss lauten
    (Y-1) * (Y-1) +1*1= (3-Länge kleines Dreieck) ²
    und nicht 3*3- (Länge kleines Dreieck) ².
  28. OK, OK

    Nach 3 Seiten, die ich deswegen vollgeschiert habe, kann so ein "kleiner Fehler" doch schon mal passieren *schäm*. Aber das Endergebnis sah doch ganicht so schlecht aus, oder? 🙂
  29. Mathematik am Montagmorgen, alle wach?

    1) a, b Katheten des großen Dreiecks, daher gilt: a²+b²=3².

    2) Wegen Ähnlichkeit der beiden kleinen Dreiecke gilt: (a-1) /1=1/ (b-1), mithin a=1+1/ (b-1)

    3) Dieses in 1) eingesetzt ergibt
    (1+1/ (b-1) ) ²+b²=9, dieses mit (b-1) ² multipliziert dann
    (b-1) ²+2 (b-1) +1+b² (b-1) ²-9 (b-1) ²=0
    b²-2b+1+2b-2+1+b²*b²-2b³+b²-9b²+18b-9=0 (keine b_hoch_4-Taste gefunden)
    b²*b²-2b³-7b²+18b-9=0,
    So und für den Versuch der Lösung dieser Gleichung wären wir im Mittelalter verbrannt worden, da nur quadratische Gleichungen ohne Hilfe des Teufels als lösbar galten. Da der Dorfpfarrer aber gerade nicht da ist, schnell die Näherungslösung (Horner-Schema) angewandt und 3 Lösungen erhalten (wobei 0.744 praktisch nicht geht).
    Hoffe, habe meine Scharte beim Thema Bruchrechnen (MB drückte Partneranteil von 1/4 auf 1/3) im leider schon gelöschten Thema Bauphysik wieder ausgewetzt.

  30. Na und?

    Was kommt jetzt raus?
    Ich bleibe jedenfalls bei meinen 2,6 und 1,6 (so ungefähr jedenfalls) bis mir etwas anderes bewiesen ist.
    Wobei ich zugeben muss, dass ich keine Formel (ähnliche Dreiecke, etc.) erstellt habe  -  weil ich nämlich in der Schule in Mathematik einer der schlechtesten war und mich seither nie mehr damit beschäftigt habe und deshalb auf logisches Denken ausweichen musste. 😉
    Nachdem Pythagoras gilt habe ich nämlich in meiner Rechnung einfach so getan als wären die Dreiecke alle gleichschenkelig.
    Und dann die "logische Formel": Die Summe der Flächen der beiden kleinen Dreiecke ist um 1 kleiner als die Fläche des großen Dreiecks (alle rechtwinkelig) und die Summe ihrer Hypotenusen ist 3, etc.
    Der Witz ist, dass man das nämlich gar nicht exakt rechnen kann  -  ohne Näherungswerte, Iterationen, Hypothesen, etc. geht das gar nicht.
    Ich z.B. tu erst mal so als ob die rechtwinkeligen Dreiecke alle auch gleichschenkelig wären  -  für die Flächenzahlen ist das ja egal. Erst wenn mich die Realität dazu zwingt (wenn ich das Quadrat in das große Dreieck hineinstelle) werden die kleinen Dreiecke inkongruent (siehe mein Rechengang gestern).
    Ulf löst dafür eine gemischte Gleichung mit einer 3. Potenz auf  -  auch nicht viel seriöser 😉
    Ein Programmierer würde eine "while-wend" Schleife schreiben, die solange beliebige Werte für die Katheten der kleinen Dreiecke einsetzt bis die Bedingung (s.o.) erfüllt ist.
    Jedes rechnerische Ergebnis ist ein Näherungswert!
    Jedenfalls nicht genauer als wenn man das Ganze auf Papier konstruiert und die Werte abliest.
    Widerspruch?
  31. Meine 2 Cent

    die beide Lösungen sind:
    2,492066038 und
    1,670211623
    Allerdings ist das eine Annäherung mit dem "Ordinateur".
    .-< arcsin ((1+x) /3) = arccos (1+ (1/x) ) /3
  32. @jepe: (*brillerüberreich*) Habe ich doch schon lange

    geschrieben (25. Beitrag absolut bzw. 1. Beitrag der Folgeseite).
  33. @Inquisitor jepe:

    habe jetzt erst den Rest gelesen, das ist ja genauso schlimm wie im Mittelalter, da wird doch glatt die 4. Potenz für unseriös erklärt *alsmathematikerheftigmitdemkopfschüttel*
  34. @Ulf

    ach ja! *vor-den-Kopf-schlag*  -  da steht es ja, sorry.
    Also es sind Näherungswerte  -  ob mit Horner-Schema (wasndas?) oder "Ordinateur" (klingt lustig!) oder "zu Fuß", oder auch mit "while-wend"-Schleife.
    Ich bin daher dafür über das Ergebnis abzustimmen.
    Mathematik kann auch mal bisschen Demokratie vertragen, finde ich.
    Nachdem die überwältigende Mehrheit (2) bisher für 2,49/1,67 ist bin ich auch dafür *handheb*.
    Außerdem habe ich nachgerechnet (ohne Hilfe des Teufels und ohne Formel)  -  stimmt wirklich (als Näherungswert!)  -  das kommt davon wenn man so ungern mit Kommastellen rechnet ...
  35. *ganzkleinlautzuge*

    Soweit wie Ulf bin ich auch gekommen, dann verließ mich das Schulwissen. Was macht MB? Klar, kleines Programm schreiben: try and error 🙂
    • Name:
    • Martin Beisse
  36. Danke jepe,

    das tut gut, auch mal Recht zu bekommen. Wenn Eure Kinder also mal die Mathehausaufgaben nicht packen ...
    Ansonsten schau ich nach wie vor zu euch auf, wenn es ums Bauen geht.
    @MB: Warte immer noch auf Antwort, WARUM YTONG-Innenwand nicht geht, eher kriegst du die Steine nicht!
  37. Steht schon da

    Ab und zu aktualisieren 🙂
    • Name:
    • Martin Beisse
  38. Lösung

    Foto von

    Die gefundenen Werte von ~2,492 bzw. ~1,670 sind richtig. Es gibt einen eleganten Lösungsweg, den ich aber selbst nicht kenne. Vor Jahren wurde er mir vorgeführt. Zunächst werden über Pythagoras und ähnliche Dreiecke ein paar Formeln gebildet, dann substituiert. Egal wie man dies anstellt: man erhält immer Gleichungen 4. Grades. Es gibt aber eine Möglichkeit, diese Gleichung durch eine geschickte Ergänzung mit einem Term so zu erweitern, dass sie sich durch Radizieren beider Seiten auf eine einfache quadratische Gleichung reduzieren lässt. Das Kunststück besteht im Finden dieser Ergänzung. Ich hatte gehofft dass sie jemand im Forum findet, mir ist es gestern und heute nicht gelungen.
  39. Ach ja, stimmt

    Mir fiel da auch sowas ins Auge. War aber gestern zu müde.
    • Name:
    • Martin Beisse
  40. Auflach

    schaut euch mal meinen Löschungsvorschlag nochmals an: "2.47 zu 1.70 m" das sind nur 2 Zentimeter Differenz! ... für einen Maurer eh schon extrem genau 🙂 ... ABER ich habe das Ergebnis nur geschätzt 🙂
  41. hehe

    und wenn die Leiter sagen wir mal 32 Meter lang gewesen wär hättest nen Leiternwagen der Feuerwehr bestellt 🙂
    MP
  42. Hm,

    toll was Mathe so alles kann  -  vielleicht hätte ich in der Schule doch besser aufpassen sollen ...
    Ich glaub ja immer noch, dass die Tatsache, dass die Summe der Flächen konstant ist eine Rolle spielen muss.
    Vielleicht ist das der "Term", sowas wie eine Konstante.
    Ansonsten schweige ich ergriffen vor der Auflösung einer Gleichung 4. Grades  -  etwas ähnliches müssen unsere Vorfahren empfunden haben als der Komet kam 😉
    @Thalhammer: Mir ganz neu, dass Maurer das Wort "Zentimeter" überhaupt kennen. Unsere auf der Baustelle maßen eher in "Schritten", wobei der Nullpunkt immer die Brotzeit war. Immerhin blieben sie mit dem Haus auf dem Grundstück.
    Aber so sind nur österreichische Maurer!
    Keine Verallgemeinerung!
  43. nur die österreichischen?

    <<
    • Name:
    • Ulf Eberhard
  44. kurz gedacht

    wenn ich nicht gänzlich verkehrt liege, bekommt man das mit dem thalessatz raus. allerdings muss man dazu eine Zeichnung machen und dann nachmessen. gibt bestimmt auch formeln, mit denen ich dann die strecken messen kann, aber die weiß ich nicht mehr.
    Gruß joachim
  45. abschicken hat nicht geklappt

    Foto von Joachim Kaehler

    ich glaube man kann das über den thalessatz lösen.
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