Механическая головоломка — это головоломка, представленная в виде набора механически связанных между собой частей, в которой решение заключается в манипулировании целым объектом или его частями. Хотя головоломки этого типа использовались человечеством еще в 3 веке до нашей эры, одной из самых известных механических головоломок современности является кубик Рубика , изобретенный венгерским архитектором Эрнё Рубиком в 1974 году. Головоломки, как правило, предназначены для одного игрока, где цель состоит в том, чтобы игрок обнаружил принцип объекта, а не случайно придумал правильное решение путем проб и ошибок . Учитывая это, их часто используют в качестве теста на интеллект или в обучении решению проблем .
Самая старая известная механическая головоломка родом из Греции и появилась в 3 веке до н. э. Игра представляет собой квадрат, разделенный на 14 частей, и цель состоит в том, чтобы создавать различные фигуры из этих частей. Это нелегко сделать. (см. Ostomachion loculus Archimedius)
В Иране «замки-головоломки» изготавливались еще в XVII веке нашей эры.
Следующее известное появление головоломок произошло в Японии . В 1742 году в книге упоминается игра под названием «Сэй Сёна-гон Чие Но-Ита». Около 1800 года китайская головоломка Танграм стала популярной, а 20 лет спустя она распространилась по Европе и Америке.
Примерно в 1891 году компания Richter из Рудольштадта начала производить в больших количествах головоломки типа «Танграм» разных форм, так называемые «Анкер-головоломки».
В 1893 году Анджело Джон Льюис, используя псевдоним «Профессор Хоффман», написал книгу под названием « Головоломки; старые и новые» . Она содержала, среди прочего, более 40 описаний головоломок с секретными механизмами открытия. Эта книга превратилась в справочник по играм-головоломкам, и для тех, кто интересуется, существуют современные копии.
Начало XX века было временем, когда головоломки были очень модными, и были зарегистрированы первые патенты на головоломки.
С изобретением современных полимеров изготовление многих головоломок стало проще и дешевле.
В 1993 году Джерри Слокум основал Фонд головоломок Слокума — некоммерческую организацию, целью которой является просвещение общественности в области головоломок посредством коллекционирования головоломок, выставок, публикаций и коммуникаций.
В этой категории головоломка представлена в виде компонента, и ее цель — создать определенную форму. Кубик Soma , созданный Piet Hein , Pentomino Соломона Голомба и вышеупомянутые головоломки Tangram и «Anker-puzzles» — все это примеры этого типа головоломок. Кроме того, задачи, в которых несколько частей должны быть расположены так, чтобы поместиться в (на первый взгляд слишком маленькую) коробку, также классифицируются в этой категории.
На изображении показан пример головоломки Хоффмана по упаковке . Цель состоит в том, чтобы упаковать 27 прямоугольных параллелепипедов с длинами сторон в коробку с длиной стороны , при соблюдении двух ограничений:
Одним из вариантов было бы то, что коробка должна была бы иметь размеры 30×30×30.
Современные инструменты, такие как лазерные резаки, позволяют создавать сложные двухмерные головоломки из дерева или акрилового пластика. В последнее время это стало преобладающим, и были разработаны головоломки необычайно декоративной геометрии. Это позволяет использовать множество способов разделения областей на повторяющиеся формы .
Компьютеры помогают в разработке новых головоломок. Компьютер позволяет осуществлять исчерпывающий поиск решения – с его помощью головоломка может быть разработана таким образом, что она будет иметь наименьшее количество возможных решений или решение, требующее наибольшего количества возможных шагов. Следствием этого является то, что решение головоломки может быть очень сложным.
Использование прозрачных материалов позволяет создавать головоломки, в которых элементы должны быть сложены друг на друга. Цель состоит в том, чтобы создать определенный узор, изображение или цветовую схему в решении. Например, одна головоломка состоит из нескольких дисков, в которых угловые секции разного размера окрашены по-разному. Диски должны быть сложены так, чтобы создать цветовой круг (красный->синий->зеленый->красный) вокруг дисков.
Пирамидальная головоломка состоит из двух или более составных частей, которые соединяются вместе, образуя пирамиду. [1] [2] Пирамидальные головоломки из двух частей не могут образовывать правильную пирамиду, а могут образовывать только четырехгранную пирамиду-тетраэдр. Решение заключается в том, чтобы повернуть квадратные грани друг к другу и повернуть одну из них вертикально, чтобы завершить четырехгранную пирамиду-тетраэдр. [3] Существуют также пирамидальные головоломки из четырех частей. [4] [5]
Головоломки этой категории обычно решаются путем их открытия или деления на части. Сюда входят головоломки с секретными механизмами открытия, которые должны быть открыты методом проб и ошибок . Кроме того, головоломки, состоящие из нескольких металлических частей, соединенных вместе каким-либо образом, также считаются частью этой категории.
Две головоломки, показанные на рисунке, особенно хороши для общественных мероприятий, поскольку кажутся очень легко разбираемыми, но на самом деле многие люди не могут решить эту головоломку. Проблема здесь заключается в форме соединяющихся частей – сопрягаемые поверхности имеют коническую форму, и поэтому их можно снять только в одном направлении. Однако каждая часть имеет два противоположно наклоненных конуса, сопрягающихся с двумя соседними частями, так что часть нельзя снять ни в одном направлении.
В эту категорию входят коробки, называемые секретными коробками или коробками-головоломками с секретными механизмами открытия, чрезвычайно популярные в Японии. Эти шкатулки содержат более или менее сложные, обычно невидимые механизмы открытия, которые при открытии открывают небольшое полое пространство. Существует огромное разнообразие механизмов открытия, таких как едва заметные панели, которые необходимо сдвигать, механизмы наклона, магнитные замки, подвижные штифты, которые необходимо поворачивать в определенное положение вверх, и даже временные замки , в которых объект должен удерживаться в определенном положении, пока жидкость не заполнит определенный контейнер.
В блокируемой головоломке одна или несколько частей удерживают остальные вместе, или части взаимно самоподдерживают друг друга. Цель состоит в том, чтобы полностью разобрать и затем собрать головоломку заново. И сборка, и разборка могут быть сложными — в отличие от головоломок на сборку, эти головоломки обычно не разваливаются просто так. Уровень сложности обычно оценивается с точки зрения количества ходов, необходимых для удаления первой части из исходной головоломки. Более поздние головоломки ввели элементы вращения.
Известная история этих головоломок восходит к началу 18 века. [6] [7] В 1803 году каталог «Bastelmeier» содержал две головоломки этого типа. Упомянутая выше книга головоломок профессора Хоффмана также содержала две взаимосвязанные головоломки.
В начале 19 века японцы захватили рынок этих головоломок. Они разработали множество игр самых разных форм — животных, домов и других объектов, — тогда как развитие в западном мире вращалось в основном вокруг геометрических фигур.
С помощью компьютеров стало возможным анализировать полные наборы сыгранных игр. Этот процесс был начат Биллом Катлером с его анализа всех китайских деревянных узлов. С октября 1987 года по август 1990 года все 35 657 131 235 различных вариаций были проанализированы компьютером. С формами, отличными от китайского креста, уровень сложности достигал уровней до 100 ходов для первой удаляемой части, масштаб, который люди с трудом могли бы постичь. Вершиной этого развития является головоломка, в которой добавление нескольких частей удваивает количество ходов. До публикации в 2003 году проекта RD Design Оуэна, Чарнли и Стрикленда головоломки без прямых углов не могли быть эффективно проанализированы компьютерами.
Стюарт Коффин создает головоломки на основе ромбического додекаэдра с 1960-х годов. Они использовали полосы с шестью или тремя ребрами. Такие головоломки часто имеют крайне нерегулярные компоненты, которые собираются в правильную форму только на последнем этапе. Кроме того, углы в 60° позволяют создавать конструкции, в которых несколько объектов должны быть перемещены одновременно. Головоломка «Бутон розы» является ярким примером этого: в этой головоломке 6 элементов должны быть перемещены из одного крайнего положения, в котором они касаются только углами, в центр завершенного объекта.
Для головоломок такого рода цель состоит в том, чтобы распутать металлическую или веревочную петлю от объекта. Топология играет важную роль в этих головоломках. На изображении показана версия головоломки derringer. Несмотря на простоту на вид, она довольно сложна — большинство сайтов с головоломками относят ее к самым сложным головоломкам. [ необходима цитата ]
Vexiers — это другой вид головоломки на распутывание: две или более металлических проволоки, которые были переплетены, должны быть распутаны. Они также распространились вместе с общим помешательством на головоломках в конце 19-го века. Большое количество Vexiers, которые все еще доступны сегодня, возникли в этот период.
Так называемые кольцевые головоломки, частью которых являются китайские кольца, являются другим типом Vexier. В этих головоломках длинная проволочная петля должна быть распутана из сетки колец и проводов. Количество шагов, необходимых для решения, часто имеет экспоненциальную зависимость от количества петель в головоломке. Обычный тип, который соединяет кольца со стержнем с помощью шнуров (или свободных металлических эквивалентов), имеет схему движения, идентичную двоичному коду Грея, в котором только один бит изменяется из одного кодового слова относительно его непосредственного соседа.
Примечательная головоломка, известная как китайские кольца, кольца Кардана, багенодье или головоломка эпохи Возрождения, была упомянута около 1500 года как задача 107 рукописи De Viribus Quantitatis Луки Пачоли . Головоломка снова упоминается Джироламо Кардано в издании 1550 года его книги De subtililate . Хотя головоломка является головоломкой типа распутывания, она также имеет механические атрибуты головоломки, и решение может быть получено как бинарная математическая процедура.
Китайские кольца связаны с историей о том, что в средние века рыцари дарили их своим женам, чтобы в их отсутствие они могли чем-то занять себя. Головоломки для таверны , сделанные из стали, основаны на кузнечных упражнениях, которые давали хорошую практику ученикам кузнецов. [8]
Нильс Бор использовал головоломки на распутывание, называемые «Танглоиды», чтобы продемонстрировать своим ученикам свойства спина .
Целью данного жанра головоломок является сложение распечатанного листа бумаги таким образом, чтобы получить заданную картинку. В принципе, Rubik's Magic можно было бы отнести к этой категории. Лучший пример показан на рисунке. Задача состоит в том, чтобы сложить квадратный лист бумаги так, чтобы четыре квадрата с числами лежали рядом друг с другом без зазоров и образовывали квадрат.
Другая головоломка на складывание — это складывание проспектов и городских карт. Несмотря на часто видимое направление сгиба в точках сгиба, может быть чрезвычайно сложно вернуть бумаге форму, в которой она изначально была. Причина, по которой эти карты трудно восстановить в их первоначальном состоянии, заключается в том, что сгибы предназначены для бумагоделательной машины, в которой оптимальные сгибы не такие, которые среднестатистический человек попытался бы использовать.
Эти головоломки, также называемые замки-трюки , представляют собой замки (часто навесные замки ), которые имеют необычный механизм блокировки. Цель состоит в том, чтобы открыть замок. Если вам дадут ключ, он не откроет замок обычным способом. Для некоторых замков может быть сложнее восстановить исходное положение.
Это сосуды «с изюминкой». Цель состоит в том, чтобы либо пить, либо выливать из сосуда, не пролив ни капли жидкости. Головоломки-контейнеры — это древняя форма игры. Греки и финикийцы делали сосуды, которые нужно было наполнять через отверстие в дне. В IX веке ряд различных сосудов был подробно описан в турецкой книге. В XVIII веке китайцы также производили такие виды питьевых сосудов.
Одним из примеров является кувшин-головоломка : горлышко контейнера имеет множество отверстий, которые позволяют наливать жидкость в контейнер, но не из него. Скрытый от глаз головоломки, есть небольшой трубчатый канал, проходящий через всю рукоятку и вдоль верхнего края контейнера до носика. Если затем закрыть отверстие в верхнем конце рукоятки одним пальцем, можно пить жидкость из контейнера, посасывая носик.
Другие примеры включают в себя чашу для опьянения и корону для горшка.
Невозможные объекты — это объекты, которые на первый взгляд кажутся невозможными. Самый известный невозможный объект — это корабль в бутылке . Цель — выяснить, как сделаны эти объекты. Другая известная головоломка — это куб, состоящий из двух частей, соединенных в четырех местах, казалось бы, неразрывными связями. Решения для них можно найти в разных местах. Существуют всевозможные объекты, которые подходят под это описание — « невозможные бутылки », которые содержат слишком большие объекты, японские монеты с отверстиями с деревянными стрелами и кольцами, продетыми через них, деревянные сферы в деревянной рамке со слишком маленькими отверстиями и многое другое.
Яблоко и стрела на картинке сделаны из одного куска дерева. Отверстие на самом деле слишком мало, чтобы в него пролезла стрела, и нет никаких признаков склеивания.
Игры, перечисленные в этой категории, не являются строго головоломками как таковыми, поскольку здесь большее значение имеют ловкость и выносливость. Часто цель состоит в том, чтобы наклонить коробку с прозрачной крышкой именно таким образом, чтобы один или несколько маленьких шариков упали в отверстия.
Головоломки этой категории требуют повторных манипуляций с головоломкой, чтобы привести ее к определенному целевому состоянию. Известные головоломки такого рода — это кубик Рубика и Ханойская башня . В эту категорию также входят головоломки, в которых один или несколько элементов должны быть перемещены в правильное положение, из которых наиболее известна головоломка N. Rush Hour или Sokoban — другие примеры.
Кубик Рубика вызвал беспрецедентный бум в этой категории. Было произведено большое количество вариантов. Были сделаны кубики размерами от 2×2×2 до 33×33×33, а также множество других геометрических форм, таких как тетраэдр и додекаэдр . С различной ориентацией оси вращения можно создать множество головоломок с той же базовой формой. Кроме того, можно получить дополнительные кубовидные головоломки, удалив один слой из куба. Эти кубовидные головоломки принимают неправильные формы, когда с ними манипулируют.
На рисунке показан другой, менее известный пример такого рода головоломки. Она достаточно проста, чтобы ее можно было решить с помощью проб и ошибок и нескольких заметок, в отличие от кубика Рубика, который слишком сложен для решения методом проб.
Хотя многие компьютерные игры и компьютерные головоломки имитируют механические головоломки, эти имитированные механические головоломки обычно не классифицируются строго как механические головоломки.
Эта статья во многом основана на соответствующей статье в немецкой Википедии.
