Головоломки

Головоломки – это интеллектуальные игры, требующие известной остроты ума и хороших способностей к пространственному моделированию. Хотя по большей части головоломки делаются для индивидуальной игры, их вполне реально использовать и для проведения турниров (например, решение на скорость). Головоломки изготовляют из пластика, металла, дерева, бумаги, веревок, стекла – на что хватает конструкторской фантазии.

Рассмотрим наиболее известные механические головоломки, которые могут претендовать на звание настольных (и не очень) игр.

КУБИК РУБИКА

Эту головоломку изобрел в 1974 году Эрнё Рубик, скульптор и преподаватель архитектуры в Венгрии.

Кубик Рубика представляет собой куб из 26-и пластмассовых маленьких кубиков (для первоначальной версии 3х3х3), которые способны вращаться вокруг невидимых снаружи осей.

Стороны большого куба окрашены в разные цвета (обычно – белый, желтый, синий, зеленый, красный, оранжевый), образуя 54 цветных квадрата.

Повороты сторон кубика позволяют изменить расположение граней относительно друг друга. Игроку нужно «собрать кубик Рубика», то есть вернуть кубик в первоначальное положение, когда каждая его грань состоит из квадратов одного цвета.

Число всех достижимых различных состояний кубика Рубика равно

.Алгоритм, собирающий кубик Рубика за минимальное число ходов, традиционно называется «алгоритмом Бога». Максимальное возможное число ходов, которое такой алгоритм может сделать, называется «числом Бога». Последний анонсированный (хотя и не проверенный) результат утверждает, что число Бога равно 20. Простого описания «алгоритма Бога» при этом по-прежнему не найдено, и оптимальная сборка кубика осуществляется с помощью трудоёмких вычислений. На данный момент одним из самых популярных методов сборки является метод Джессики Фридрих.

За всю историю существования кубика Рубика (так же изначально известного под названием «магический куб») было продано 350 миллионов экземпляров оригинальной головоломки и ее аналогов. Также существуют гораздо менее популярные компьютерные игры, имитирующие «магический кубик».

В советском журнале «Юный техник» № 7 за 1982 год публиковались чертежи для самостоятельного изготовления кубика. Они имели свою собственную конструкцию и изготовлялись из дерева (бука или липы, с использованием воска для смазывания граней) и латунных колец. Инструкция заканчивалась словами «Если с первого раза не получилось — попробуйте еще».

Скоростная сборка

Скоростная сборка кубика Рубика называется спидкубинг (от англ. speedcubing), а люди, увлекающиеся этим – спидкуберами.

Соревнования по спидкубингу могут проводиться по нескольким номинациям – в категориях от 2х2 до 7х7, «вслепую» и даже с помощью ног!

Нынешний рекорд скоростной сборки кубика был установлен 29 января 2011 на соревнованиях в МельбурнеФеликсом Земдегсом: 6,65 секунд. Предыдущие рекорды в 7,08 и 8,72 секунд принадлежали соответственно голландцу Эрику Аккерсдайку и японцу Ю. Накадзиме.

Ансси Ванхала из Финляндии собрал кубик ногами за 36,72 секунды.

Вариации кубика Рубика

Кубики с нестандартным числом элементов

Помимо традиционного 6-цветного исполнения кубика 3×3×3 встречаются кубы с формулой 2×2×2, 4×4×4, 5×5×5; кубики с изображениями на гранях; «гибриды», полученные объединением нескольких кубиков, варианты с закруглёнными углами.

Куб со стороной 4 часто называют мастер-кубом или «местью Рубика». На данный момент самым большим не виртуальным является кубик Рубика 11х11х11; так же известны единичные попытки изготовления кубов с гранью 12 и 17.

Кубики с нестандартным соотношением элементов

Это могут быть кубы 2х2х4, 3х3х1, 3х3х2, 3х3х4, 3х3х5, 3x3х7 и так далее.

Кубики с нестандартными размерами элементов (зеркальный кубик Рубика).

Вместо цветных квадратных граней одинакового размера у этого кубика использованы зеркальные прямоугольники разных размеров.

Зеркальный куб подчиняется алгоритму сборки классического3×3×3, но из-за нестандартных граней кубик принимает совсем фантастический вид, и если не абстрагироваться от форм составных элементов, собрать его сложнее.

Двойные, тройные и т.п. кубики

Они могут быть иметь 2 общих элемента на гранях и, как следствие, общую ось вращения, из-за чего сборка такого куба несколько усложняется.

Кубики с нестандартными осями вращения

Кубик Рубика для слепых

У таких головоломок грани различаются не цветом, а фактурой – они могут иметь накладки из разных материалов – металла, дерева, резины, ткани, пластика и так далее. Еще вариант – на гранях имеются обозначения типа «игральная кость».

Такой кубик можно сложить, «увидев» его грани пальцами.

Кубик Рубика - судоку

Это гибрид Кубика Рубика и игры судоку. На гранях нарисованы цифры, и нужно сложить кубик так, чтобы цифры не повторялись на гранях. Игрушка для фанатов.

Кубик-шарик Рубика

Вариант со сглаженными углами и гранями. Если вам придется сделать перерыв в отдыхе, эта головоломка легко заменит пресс-папье.

«Псевдо-кубы»

Вариант кубика-шарика. Отличительной чертой данного типа головоломок является то, что они могут иметь аналогичный способ сборки, но будут выглядеть, например, как мультяшный герой или собачка.

Этот тип головоломок является идеальным вариантом обучающей и развивающей детской игры.

Кубик Рубика mp3-плеер

Пока что это эта головоломка существует лишь в виде прототипа. Она создана дизайнером Hee Yong и имеет любопытное условие для управления: чтобы заставить играть этот плеер, необходимо собрать хотя бы один цвет на гранях кубика.

Например, чтобы запустить проигрывание музыки, надо собрать верхнюю грань, а чтобы остановить — нижнюю, и так далее.

Световой кубик Рубика

В отличие от остальных своих собратьев, этот кубик не имеет подвижных частей, а все квадраты подсвечены светодиодами разных цветов. Чтобы «повернуть» кубик в одном из сечений, потребуется нажать на соответствующие кнопки на гранях, после чего они и поменяют свой цвет.

За компанию в эту игрушку добавили еще несколько логических цветовых игр и даже аналог «виндоусного» Сапера!

ПИРАМИДКА

Так же известна под названием пираминкс, «молдавская пирамидка», «японский тетраэдр». Изобретена и запатентована в 1972 году (еще до изобретения кубика Рубика) немцем Уве Меффетом. Собранная пирамидка имеет форму тетраэдра, грани которого в собранном виде окрашены в один из 4 цветов, и разделены на 9 одинаковых треугольников каждая.

Задача головоломки схожа с кубиком Рубика, но сборка протекает гораздо проще. Доказано, что минимально необходимое число поворотов для сборки пирамидки при оптимальном методе сборки не превышает 11.

Всего существует 933 120 возможных перестановок цветов на гранях (исключая расположение тривиальных угловых элементов).

Проводятся чемпионаты по сборке пирамидки на время. Последний мировой рекорд сборки на время был установлен 24 февраля 2008 г, составляет 2,83 секунды и принадлежит Томашу Кедровичу.

Вариации пираминкса

Тетраминкс — пирамидка, у которой убраны угловые элементы. Имеет форму усечённого тетраэдра.

Предпринимались единичные попытки создания мастер-пираминкс, пирамидки с 4 слоями, и профессор-пираминкс с 5 слоями, но они остались прототипами.

МЕГАМИНКС

— головоломка в форме додекаэдра, похожая на кубик Рубика, состоит из 50 движущихся частей, тогда как в кубике их всего 20. Различают двенадцатицветный (все грани имеют разные цвета) и шестицветный (противоположные грани мегаминкса окрашены в одинаковые цвета).

Мегаминкс или Волшебный додекаэдр (Magic Dodecahedron), был одновременно изобретён разными людьми и выпускался несколькими различными производителями с небольшими различиями в конструкции.

Количество вариантов перемены цветов для двенадцатицветного мегаминкса составляет:

100 669 616 553 523 347 122 516 032 313 645 505 168 688 116 411 019 768 627 200 000 000 000.

Количество вариантов перемены цветов для шестицветного мегаминкса в 2^14 раз меньше и составляет:

6 144 385 775 971 883 979 645 753 925 393 402 415 081 061 792 664 780 800 000 000 000.

Напомню, что возможное число состояний кубика Рубика составляет «всего» 43 252 003 274 489 856 000 вариантов.

Строение мегаминкса во многом аналогично строению кубика Рубика, поэтому собирать его не намного сложнее, чем стандартный 3х3х3.

Шестицветный вариант скрывает в себе дополнительную неочевидную сложность: головоломка содержит пары одинаковых по окраске частей. Тем не менее, хотя они визуально неотличимы, возможна ситуация, когда головоломка может быть решена только после перестановки «одинаковых» фрагментов, т. е. переведена в другое, но визуально неотличимое состояние.

Мировой рекорд скоростной сборки мегаминкса — 49.71секунды — был установлен Балинтом Бодором 24 апреля 2010 года.

ПОХОЖИЕ ГОЛОВОЛОМКИ

Октахедрон

Головоломка Октахедрон сложна по своей природе сборки. Все восемь граней имеют каждая свой цвет. Это как две пирамидки, соприкасающиеся друг друга.

Додахедрон

Головоломка Додахедрон, вероятно, названа так из-за количества граней, которое соответствует 8-ми. Алгоритм сборки близок к кубику 2х2х2, но у него всего 6-ть граней. Поэтому данную головоломку сложить сложнее, она дезориентирует большим количеством граней при небольшом количестве плоскостей вращения.

Хексагон

Название головоломки Хексагон тоже обусловлено количеством граней. По своей сути эта головоломка одна из многочисленных разновидностей Кубика Рубика 3х3х3. Бесформенность в разобранном виде, различие цветов граней придаёт головоломке очень запутанную форму разобранного вида. Плоскости вращения отличаются от привычных, это головоломку более сложной и интересной.

Неправильный IQ кубик

Еще один страшный потомок кубика Рубика. Из состояния слева на фото необходимо сложить кубик именно «в форму кубика». И это не так легко, как можно подумать…

ВОЛШЕБНЫЕ КОЛЬЦА

Эта головоломка имеет вид двух колец, соединенных в форме восьмерки, и заполненных цветными (2-4 цвета) шариками, способными свободно перемещаться в кольцах. Решение головоломки заключается в составлении непрерывных последовательностей каждого цвета.

Существует 2 версии этой головоломки:

* Венгерская: 38 шаров (4 цвета, по 4 шара во внутренних секциях между пересечениями), 75406424215922599800 способов расположения.

* Кольца Рубика: 34 шара (3 цвета), расположение колец — под углом друг к другу (головоломка трёхмерна, чем исключаются непроизвольные сдвиги шаров, количество вариантов расположения 193413243572640.

Так же разработан компьютерный вариант игры, предлагающий игроку решить 25 различных головоломок, объединенных принципом «волшебных колец», но собственно колец и цветов может быть значительно больше, чем в пластмассовом «прародителе».

ЗМЕЙКА РУБИКА

Эта головоломка так же придумана Эрнё Рубиком и представляет собой 24 шарнирно соединённых между собой призмы в сечении равнобедренного прямоугольного треугольника, образующих в итоге «змейку».

Задача состоит в сборке различного рода геометрических фигур, животных и прочих ассоциативных вещей. Всего из «змейки» можно сложить более ста двумерных и трехмерных фигур (собака, кобра, самолет, мышь и т.п.), что замечательно развивает пространственное мышление.

В начале 1980-х годов Змейка Рубика пользовалась большой популярностью в СССР и до сих пор остается одним из «бестселлеров» среди механических головоломок, сравнимых по популярности с кубиком Рубика.

ТАНГРАМ

Танграм (кит.七巧板, пиньинь qī qiǎo bǎn, букв. «семь дощечек мастерства») — головоломка, состоящая из семи плоских фигур, которые складывают определённым образом для получения другой, более сложной, фигуры (силуэт или внешний контур человека, животного, предмета домашнего обихода, буквы или цифры и т. д.). При этом необходимо выполнять следующие условия:

- должны быть использованы все 7 фигур;

- фигуры не должны перекрывать друг друга.

На данный момент предложено приблизительно 6,13 миллиона возможных конфигураций танграма, в каждой из которых при этом хотя бы одна вершина и хотя бы одна сторона любой части совпадают с вершиной и стороной другой части.

Первое упоминание о танграме встречается в китайской книге 1813-го года, хотя он и считается изобретением глубокой древности, а на западе эта головоломка появилась лишь в начале 19 столетия.

С тех пор было выпущено несколько больших книг с задачами по танграму, например, книга Сэмюэля Ллойда The Eighth Book Of Tan (англ. «Восьмая книга Тан»), вышедшая в 1903 году, содержит вымышленную историю танграма, согласно которой эта головоломка была изобретена 4000 лет назад божеством по имени Тан, и включает 700 задач, некоторые из которых неразрешимы.

Танграм содержит 5 прямоугольных треугольников (2 маленьких, 2 больших и 1 средний) 1 квадрат и 1 параллелограмм, являющийся единственной фигурой головоломки, обладающей только вращательной симметрией, то есть, чтобы сложить определенные фигуры, его, возможно, придется переворачивать.

У Танграма так же имеются разновидности. Например, Арена, заполненная девятью составленными из равнобедренных трапеций элементами, и «дразнилка-Т».

КУБ СОМА

Куб-сома (англ. Soma cube) — это головоломка, являющаяся по сути трёхмерным аналогом китайской головоломки пентамино.

Создателем куба-сома является Пит Хейн, а в России головоломка известна под названием «Кубики для всех».

Набор состоит из 7 фигур: из них одна фигура состоит из трёх кубиков, а остальные из четырёх кубиков:

Из всех 7 маленьких фигур можно сложить один большой куб (существует 240 способов решения), и другие фигуры (на данный день известно 482 варианта).

Существуют и усложнения этой головоломки:

1. Маленькие элементы состоят из двухцветных кубиков, что позволяет собирать «Шахматный куб» единственным способом;

2. Грани элементов раскрашивают в два цвета, не учитывая цвет соседних граней – в итоге это тоже дает «Шахматный куб»;

3. Собранный куб «Сома» раскрашивают по наружным граням в 6 цветов и т.д.;

4. По всем граням снаружи ведут « тропинку»;

5. Ставят метки «игральная кость»;

6. «Головоломка для путешественников» – элементы просверлены и нанизаны на леску;

7. «Сома – Тъюб» - элементы имеют отверстия, и при сборке кубика должны получиться шесть сквозных отверстий.

ПЯТНАШКИ

Пятна́шки — популярная головоломка, придуманная в 1874 году Ноем Чепмэном, почтмейстером из Канастоты. Представляет собой набор одинаковых квадратных костяшек с нанесёнными числами, заключённых в плоскую квадратную коробку. Наиболее распространены варианты с 15-ю и 8-ю элементами + одно поле остается пустым.

Цель игры — перемещая костяшки по коробке добиться упорядочивания их по номерам, желательно сделав как можно меньше перемещений (не вынимая из коробочки).

За очень короткое время игра распространилась по всему миру, за решение определенных комбинаций назначались большие премии, и владельцы контор и магазинов были вынуждены издать запрет на игру в «15» на рабочем месте.

Когда за игрушку принялись математики, выяснилось, что лишь половина задач может быть решена.

Но если допустить поворот коробки на 90 градусов, при котором изображения цифр окажутся лежащими на боку, то можно перевести неразрешимые комбинации в разрешимые (и наоборот). Таким образом, если вместо цифр на костяшки нанести точки и не фиксировать положение коробки, то неразрешимых комбинаций вообще не окажется.

Существуют варианты головоломки, когда сложить требуется не цифры а картинку.

Сэмюэль Ллойд, американский шахматист и автор головоломок, предложил множество задач по «пятнашке». Вот одна из них: переместите костяшки из положения, показанного в левой части иллюстрации, в положение, изображенное справа.

МИНУС-КУБИК

Это объемная механическая головоломка, производившаяся в СССР, вариант «пятнашки».

В запаянном прозрачном пластиковом кубике лежит 7 маленьких кубиков, собранных в свою очередь из двух П-образных половинок разного цвета.

Маленькие кубики ровно укладываются внутрь большого, а вместо восьмого кубика остается пустое место, на которое можно, переворачивая головоломку, передвигать другие.

Собрать минус-кубик – значит установить кубики таким образом, чтобы на каждой стороне все грани малых кубиков были окрашены в один цвет.

Известно два варианта этой головоломки, различавшихся цветом и ориентацией одного из маленьких кубиков:

- московский (бело-красный): для него существует в 12 раз больше верных комбинаций;

- свердловский (бело-голубой): этот вариант в 12 раз сложнее для решения.

ВАВИЛОНСКАЯ БАШНЯ

Вавилонская башня, или, «башня из слоновьей кости» - головоломка со скользящими частями, состоящая из нескольких собранных в башню дисков, которые вращаются вокруг центральной оси. Всего в головоломке 6 дисков; вдоль сторон башни расположены 6 колон маленьких шариков, раскрашенные в 6 цветов.

Цвета в каждой колонне упорядочены от светлого в нижнем диске до тёмного в верхнем (вариант – совпадают по колоннам). В нижнем диске расположена пружина, позволяющая вдавить один из двух противоположных шаров внутрь, что создает промежуток. Благодаря этому шары могут передвигаться вверх и вниз по бороздке от одного диска к другому, а при вращении дисков шары и промежуток вращаются по кругу к другим колоннам.

Количество вариантов расположения цветов для вавилонской башни составляет ≈1.9*10^40, или

19 116 323 737 814 368 119 883 304 974 417 920 000 000 комбинаций

Кроме увеличения количества колонн и дисков существует и так называемый супер-вавилон (на мой взгляд, являющийся внебрачным сыном вавилонской башни и кубика Рубика).

Центр башни разделен на два элемента, что создает еще одну ось вращения и значительно увеличивает количество вариантов расположения цветов.

ШАР РУБИКА

(так же - Рубик 360, шарик Рубика, сфера Рубика) — механическая головоломка, изобретённая и запатентованная в 2009 году венгерским скульптором и преподавателем архитектуры Эрнё Рубиком.

Головоломка представляет собой вращающиеся на осях три прозрачные сферы, находящихся одна в другой. Внутри центральной сферы — 6 цветных шаров. Цель состоит в том, чтобы через отверстия в сферах довести каждый шар до гнезда с соответствующим цветом, расположенного на внешней сфере.

Чтобы собрать головоломку, требуется переместить шесть шариков, окрашенных в разные цвета, от центральной сферы в соответствующие пазы внешней сферы. Для этого их нужно провести через среднюю сферу, имеющую два отверстия. Сам Эрнё Рубик заявил, что, хотя задача на первый взгляд выглядит простой, добиться её решения очень и очень трудно, так как в игру вмешивается гравитация.

КУБ–ЛАБИРИНТ

Еще одна советская головоломка, представляющая собой шестиуровневый лабиринт. Цель игры – провести шарик через лабиринт с верхнего этажа на нижний.

Куб-лабиринт имеет небольшую сложность, и требует скорее ловкости и твердой руки, чем остроты ума.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ГОЛОВОЛОМКИ

Они появились в эру развития металлургии, т.е. в начале 20 века. Стало очень просто изготавливать простые металлические детали и создавать из них сложные головоломки.

Если в Древние времена головоломки были предметом роскоши, то в наше время они стали очень доступными и популярными у разных слоев населения. Кроме развивающего аспекта, металлические головоломки очень приятно крутить в руках, к тому же, они смогут стать отличным дополнением к имиджу и прекрасным необычным подарком.

Металлические головоломки обычно представляют собой 2-4 изысканных детали (или не менее изящных кусков толстой проволоки) и задача состоит в том, чтобы сначала разъединить их, а потом соединить обратно.

Сделать это порой весьма непросто.

ДЕРЕВЯННЫЕ ГОЛОВОЛОМКИ

По сути, мало чем отличаются от металлических, но из-за того, что их удельный вес меньше, такие головоломки могут иметь значительно больше деталей

СТЕКЛЯННЫЕ ГОЛОВОЛОМКИ

Требуется достать предмет из стеклянной бутылки. Иногда с изрядными довесками.

ВЕРЕВОЧНЫЕ ГОЛОВОЛОМКИ

Чтобы решить такую головоломку требуется сначала разъединить элементы, а потов вернуть все в первоначальное состояние.

Элементы – кроме шнурков – могут быть изготовлены из дерева или металла.

ПАЗЗЛ

Складная картинка, пазл, паззл (от англ. jigsaw puzzle) — игра-головоломка в виде мозаики, которую требуется составить из множества фрагментов рисунка различной формы.

Это одна из самых доступных развивающих игрушек. Традиционная форма кусочков пазла – прямоугольные, с выступами и выемками, но существуют и треугольные, круглые, овальные элементы.

Виды пазлов

Пазлы делятся по размеру элементов и размеру единой картины, их сложность определяется рисунком, но главным критерием является число элементов — чем оно выше, тем пазл больше и сложнее.

- маленькие пазлы — от 54 до 260 элементов. В основном предназначены для детей, поэтому на них обычно изображены кадры из мультфильмов и яркие сказочные мотивы.

- средние (260-500) и большие (500-6000) пазлы предназначены для взрослых, и на них изображаются пейзажи, фантастические картины, портреты и т.п.

- очень большие пазлы (свыше 6000) обычно имеют изображения известных картин великих художников, старинные географические карты, сцены из Библии. На сборку этих пазлов потребуется много времени, но в итоге головоломка может стать прекрасным украшением квартиры.

* Картонные пазлы – классический вариант этой головоломки. Сюда же можно отнести «бархатные» пазлы из соответствующего картона, пазлы с украшениями типа стразов и т.п.

* Мягкие пазлы – еще один вариант для детей. Часто практикуется такой вариант, что все элементы этого пазла сами о себе могут представлять игрушку.

* Компьютерные пазлы. Ну, тут без комментариев.

* Пазлы 3D (в том числе и деревянные). В итоге вы получаете объемную фигуру

* Так называемые «нераскрепляшки». Количество элементов в них обычно невелико, а собранный пазл представляет собой какую-нибудь фигуру, например животного. Такие пазлы чаще всего тоже изготовляются из дерева, и являются скорее элементом декора, чем полноценной головоломкой.

Интересные факты

* Вес пазлов с числом элементов около 10 000 составляет чуть менее десятка килограммов.

* Чем больше элементов, тем меньше деталь — но эта диаграмма справедлива, как правило, только для мозаик с размерами до 200 элементов. Свыше размеры всех элементов у мозаики с числом деталей и в 500 и 10 000 одинаковы.

* Самый большой пазл (на 2011 год) был выпущен осенью 2010 года фирмой Ravensburger Puzzle и состоит из 32 256 элементов. На нём изображён коллаж из 32 комиксов авторства Кита Харинга. Размер этого пазла составляет 544 x 192 сантиметра. Этот пазл весит около 26 килограммов, что делает затруднительным его доставку к месту сбора.

* Один из древнейших русских «пазлов» – «Жатва» – был изготовлен художником П. Вдовичевым в первой половине XIX века.