Кубик Рубика: как решить головоломку?

Как вы думаете, какая самая популярная головоломка в мире? Считается, что это - кубик Рубика. В мире продано более 400 миллионов экземпляров этой игрушки. И главный секрет популярности заключается в том, что этот разноцветный пластмассовый кубик – это больше, чем игрушка. Если вы, как и я, с детства знакомы с этой игрушкой, но у вас не получалось собрать больше одной стороны кубика, предлагаю вам изучить опробованный мной на практике несложный способ сборки кубика и закрыть этот гештальт.

История создания кубика Рубика

Кубик Рубика — механическая головоломка, изобретённая в 1974 году венгерским скульптором, преподавателем архитектуры из Академии прикладных искусств и ремёсел Будапешта Эрнё Рубиком. Первоначально кубик создавался как учебное пособие для объяснения студентам теории групп и развития пространственного воображения.

Фото: Эрнё Рубик https://ru.wikipedia.org/

После появления на ярмарках игрушек в 1980 году Кубик Рубика получил венгерский национальный приз за лучшее изобретение и выиграл конкурсы на лучшую игрушку в США, Великобритании, Германии, Франции. Головоломка стала настолько популярной, что до конца 1982 г. было продано свыше 100 миллионов официальных кубиков и в полтора раза больше подделок. Мощности фабрик в Венгрии не хватало, кубики стали производить в Гонконге, Тайване, Коста-Рике и Бразилии. На сегодняшний день большая часть игрушек производится в Китае.

В 1981 году игрушка появилась в СССР. За патент (право на производство в своей стране) в 1981 году в СССР заплатили автору головоломки огромную по тем временам сумму в 5 миллионов долларов, но уже через два года сумма эта окупилась сторицей. Кубик, без преувеличения, был одной из игрушек каждого советского ребёнка. Взрослые были увлечены игрушкой не меньше детей. Схемы сборки публиковались в научно-популярных журналах «Техника – молодёжи», «Наука и жизнь».

На основе первоначального кубика 3х3х3 возникло множество вариантов головоломки. Известны вариации кубика, отличающиеся размерами: 5х5х5 «Профессорский кубик», 4х4х4 «Мастер-кубик», 2х2х2 «Карманный кубик». Самым большим и сложным из разновидностей кубика Рубика нынче является кубик 17x17x17. Появились пирамидки Рубика, различные кубоиды, тетраэдры, октаэдры и прочие головоломки.

Фото: https://www.techinsider.ru

Из-за огромной мировой популярности в 1982 году было принято решение провести первые соревнования по сборке кубика на время, победителем которых стал американец Mihn Thai, собравший кубик за 22,95 с.

Люди, увлекающиеся скоростной сборкой кубика Рубика, называются спидкуберами. А сама скоростная сборка — спидкубинг (англ. «speedcubing»). Официальные соревнования по скоростной сборке кубика Рубика регулярно проводятся Всемирной ассоциацией спидкубинга (WCA). Каждые два года проходят чемпионаты Европы, Азии, а также чемпионат мира.

По данным Книги рекордов Гиннеса, на первом месте по сборке кубика сейчас находится житель США Макс Парк, собравший кубик 12 июня 2023 года за 3,13 секунды. Секрет такой быстрой сборки - множество тренировок и знание алгоритмов. Ну и, конечно, качественный снаряд - кубик.

Сложность сборки кубика вызвала к жизни поток специальных изданий по проблеме: было выпущено более 60 книг. Каждый шестой человек в мире уже овладел секретом сборки головоломки.

Сейчас в интернет-магазинах можно купить робота, который умеет собирать кубик 3x3x3, но я предлагаю вам всё же научиться это делать самим с помощью нашей статьи. К тому же, собрать кубик Рубика несложно - стоит только немного потренировать свою память, выучив несколько алгоритмов движений, и быть очень внимательными. Ну, и терпение тоже нам поначалу пригодится.

Фото: Робот для сборки кубика Рубика.  https://ozon.by/

Кубик Рубика и его устройство

Головоломка Кубик Рубика представляет собой пластмассовый куб 3×3×3, состоящий из 26 маленьких кубиков (на самом деле не все из них кубики), собранных вместе, с 54 видимыми цветными наклейками. У куба 6 разноцветных граней, каждая из которых состоит из 9 квадратов белого, жёлтого, оранжевого, красного, синего и зелёного цветов. Наиболее распространена окраска сторон, при которой напротив друг друга находятся пары белый - жёлтый, красный - оранжевый, синий - зелёный. Грань именуется по цвету её центрального элемента. Слои кубика нумеруются снизу: сначала идёт первый (нижний), затем – второй (средний), и третий (верхний) слой. В кубике всего три вида элементов-малых кубиков: центр (с наклейкой одного цвета), угол (с наклейками трёх цветов) и ребро (двух цветов).

Грани большого куба способны вращаться вокруг трёх внутренних осей кубаПовороты граней позволяют переупорядочить цветные квадраты множеством различных способов. Задача игрока заключается в том, чтобы «собрать кубик Рубика»: поворачивая грани куба, вернуть его в первоначальное состояние, когда каждая из граней состоит из квадратов одного цвета.

Количество возможных комбинаций для кубика 3х3 составляет:

Есть различные методы сборки кубика, в том числе разработанный программистами и математиками «Алгоритм Бога», по которому собрать кубик можно всего за 20 ходов. Мы рассмотрим наиболее простой способ сборки - метод крестов и рёбер.

Обозначения в записи алгоритмов сборки

Для того, чтобы собрать кубик, всего-то нужно будет запомнить несколько алгоритмов, то есть определённый порядок вращения граней кубика в ту или иную сторону. Для обозначения граней кубика применяются соответствующие буквы английского алфавита. Буква обозначает поворот грани на 90 ⁰ по часовой стрелке, буква со штрихом вверху – поворот на 90⁰ против часовой стрелки. Цифра после буквы – количество поворотов.

Все условные обозначения, которые нам понадобятся, здесь:

R («right») - поворот правой грани по часовой стрелке, R' - правая против часовой стрелки, L («left») - левая по часовой стрелке, L' - левая против часовой стрелки, U («up») - верхняя по часовой стрелке, U' - верхняя против часовой стрелки, аналогично для нижней грани D («down») и D', а также для передней грани кубика F («front») и F'.

3 совета, выработанных на практике

1. В процессе сборки новичку легко сбиться, и повернуть грань не в ту сторону. Поэтому не отвлекайтесь, пока не достигните результата для данного шага, а потом можно и перерыв сделать.
2. Если в процессе сборки у вас разобрался кубик, вернитесь на один или несколько шагов назад, соответствующих сложившейся ситуации (смотри фото).
3. Не расстраивайтесь, если в середине или даже в самом конце пути вы ошиблись и почти собранный кубик разобрался! Чем чаще вы будете начинать сначала, тем лучше и быстрее вы запомните весь порядок сборки.

Сборка кубика Рубика методом крестов и рёбер

1 шаг. Собираем белый крест на жёлтой грани.

Как это сделать, разберётся любой самостоятельно. Возьмём кубик жёлтой гранью вверх и найдём рёбра с белыми гранями. Вращением сторон кубика поставим их на верхнюю грань.

*Примечание: На самом деле цвет, с которого мы начнём сборку, может быть любым. Важно только, чтобы соответствующие цвета находились на гранях кубика, расположенных друг напротив друга.

2 шаг. Переворотом собираем правильный крест на белой грани.

Правильный крест - это такой, при котором каждое ребро на верхнем слое совпадает по цвету с центром боковой стороны кубика.

Берём кубик опять же жёлтой гранью с уже собранным белым крестом вверх. Смотрим, какого цвета боковые грани креста (по центральной наклейке) и вращением двух нижних слоев подбираем аналогичный цвет на верхнем слое, так, чтобы две центральных наклейки напротив белого креста совпадали по цвету. Переворачиваем всю сторону на 180° вниз, на белую грань. Также поступаем по очереди с остальными тремя сторонами. Затем переворачиваем кубик белой гранью вверх: в итоге у нас получился правильный белый крест.

3 шаг. Собираем все углы на первом слое.

Держим кубик белой стороной снизу. Находим на верхнем слое трёхцветные углы с белой гранью. Вращением верхней грани ставим их на правильное место - между гранями двух остальных соответствующих цветов. Угол, который нам нужно поставить на место, находится вверху справа. Делаем правой рукой следующий алгоритм: R U R' U' (правая по часовой, верхняя по часовой, правая против часовой, верхняя против часовой).

Если угол не встал на место с первого раза, повторяем алгоритм ещё раз. Если угол ещё не стал на место, снова повторяем. Так, за несколько раз угол станет на своё место. После чего таким же способом ставим на место остальные белые углы.

Может быть ситуация, когда нужный нам белый угол не стоит на верхней грани, а находится на нижней, но не на своём месте. Тогда сначала нужно таким же алгоритмом - правая по часовой, верхняя по часовой, правая против часовой, верхняя против часовой переместить его на верхнюю грань. Поворотом верхнего слоя поставить напротив места внизу, на которое он должен встать, между двух граней соответствующих цветов. И поставить на место, повторяя уже известный алгоритм необходимое количество раз.

В результате у нас получается собранная белая грань и правильно собранный первый (нижний) слой.

4 шаг. Собираем второй слой.

Ставим на место ребра. Напомню, что ребро состоит из двух граней с наклейками. Ищем соответствующие рёбра на первом, верхнем, слое. Найдя ребро, совмещаем его с нужным цветом центра.

Теперь важный момент: смотрим, куда должно пойти ребро, чтобы стать на своё место: вправо или влево, и поворачиваем верхнюю грань на 90° в противоположную сторону от той, на которой должно оказаться ребро!

Далее возможно применение двух алгоритмов: если ребро ушло влево, применяем правый алгоритм, затем поворачиваем весь кубик на 90° по часовой стрелке (в результате нужное нам ребро находится на противоположной от нас стороне) и затем применяем левый алгоритм L' U' L U (левая против часовой, верхняя против часовой, левая по часовой, верхняя по часовой). Ребро встало на нужное место во втором слое.

Если ребро ушло вправо, делаем всё наоборот: применяем левый алгоритм, поворачиваем кубик на 90° против часовой стрелки и следом применяем правый алгоритм.

Если нужное нам ребро находится не на верхнем, а в среднем слое, необходимо применить любой из алгоритмов, левый или правый, чтобы ребро в результате замены его любым другим оказалось на верхнем слое. А затем поставить его на нужное место.

После четырех шагов у нас полностью собраны нижняя грань (у нас в примере белая) и два нижних слоя.

Ну, что, устали? Если да, то передохните и сделайте перерыв. А если нет, то продолжим собирать нашу замечательную головоломку.

5 шаг. Собираем жёлтый крест на верхней грани.

Если он уже присутствует на кубике, переходим к следующему шагу. Но если у вас на жёлтой грани вместе креста есть только точка, уголок или линия жёлтого цвета, собираем вместо них крест.

Это сделать несложно: с любого начального положения кубика по отношению к нам поворачиваем переднюю грань F один раз по часовой, далее применяем правый алгоритм, возвращаем переднюю грань F' на место поворотом один раз против часовой стрелки, то есть делаем алгоритм F R U R' U' F'. Если крест ещё не собрался, повторяем эту последовательность необходимое количество раз.

Отметим, что в результате применения такого алгоритма на верхней грани последовательно будут собираться жёлтые точка, угол, линия и затем уже - крест.

6 шаг. Собираем правильный жёлтый крест.

Возможно, у вас уже есть совпадение по цвету на одной из находящихся рядом или напротив друг друга сторон. Тогда поворачиваем кубик, чтобы эти стороны находились сзади и справа от себя, если они находятся на соседних гранях, или сзади и спереди от себя, если на противоположных.

Затем применяем такой алгоритм: правая по часовой, верхняя по часовой, правая против часовой, верхняя по часовой, правая по часовой, верхняя по часовой 2 раза, правая против часовой, верхняя по часовой R U R' U R U2 R' U. В результате у нас собирается правильный жёлтый крест.

7 шаг. Ставим на место углы жёлтой грани.

Смотрим, есть ли уже стоящие в правильном месте углы. Угол должен стоять там, где со всех сторон его окружают грани тех же цветов, что и на нём. Если такой угол уже есть, ставим его слева от себя. Если правильно стоящего угла нет, то начинаем с любого.

Делаем алгоритм: правая по часовой, верхняя против часовой, левая против часовой, верхняя по часовой, правая против часовой, верхняя против часовой, левая по часовой, верхняя по часовой R U' L' U R' U' L U.

Повторяем, пока все углы не окажутся на своих местах и нам останется только их перевернуть.

8 шаг. Переворачиваем углы жёлтой грани.

Заключительный этап сборки - самый ответственный, поскольку неправильная сборка приведёт к нарушению конструкции и откату на несколько шагов назад.

На этом этапе в процессе сборки кубик разбирается, этому не нужно пугаться!

Итак, чтобы перевернуть угол, достаточно сделать простые действия. Взять кубик так, чтобы угол, который нужно перевернуть, стоял справа. Повернуть правую грань вниз, против часовой стрелки, затем повернуть нижнюю грань против часовой, правую вверх по часовой, нижнюю по часовой R' D' R D.

Если с первого раза угол не развернулся, повторить необходимое количество раз. После того как угол встал на своё место, повернуть только верхнюю грань, не весь кубик, следующим неправильно стоящим углом справа к себе. Повторить такой же алгоритм.

Когда все углы окажутся в правильном положении, останется только совместить правильно собранные слои кубика.

И вот наш итог:

Сначала вам покажется, что всё это очень сложно и невозможно запомнить все алгоритмы, но это неверно! Практика показала, что руки очень быстро привыкают к стереотипным движениям, глаза реже заглядывают в подсказки, а кубик собирается с каждым разом всё быстрее и быстрее. А когда вы научитесь собирать кубик, вам обязательно захочется помочь научиться другим, а самому - поскорее взяться за более сложную головоломку!