Механические логические игры. Механические головоломки — что это такое

Представленная в виде набора механически сцеплённых частей.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

Как собрать Мастер Пираморфикс. ч.1/5. Первый слой

3x3-подобные головоломки (Фишер-куб и др.) ч.1/2

Как собрать "Зеркальный куб" (Mirror Blocks)

Как собрать Мегаминкс. Часть 1/3. Первые 4 слоя.

Спидкубинг становится традицией

Субтитры

История

Самая старая механическая головоломка пришла из Греции и появилась она в 3-ем столетии до нашей эры. Игра состоит из квадрата, разделённого на 14 частей. Цель игры – создать различные формы из этих кусков. Это не так просто сделать. (см. Стомахион)

Для разработки новых головоломок используются компьютеры, они позволяют осуществить исчерпывающий перебор – с помощью компьютера головоломка может быть разработана так, что она будет иметь наименьшее возможное число решений или решение будет требовать настолько много шагов, насколько это возможно. В результате решение таких головоломок может стать очень сложным.

Использование прозрачных материалов позволяет создание головоломок, в которых части необходимо ставить поверх друг друга. Цель - создать определённый узор, рисунок или цветную схему. Например, одна из головоломок состоит из нескольких дисков, в которых секторы колец различного размера раскрашены разными цветами. Диски помещаются один на другой стопкой с целью создать цветные кольца (красное=>синее=>зелёное=>красное).

Разборные головоломки

Головоломки этой категории обычно решаются путём открывания или разборки их на части. В эту категорию входят головоломки с секретным механизмом открывания и открываются они с помощью проб и ошибок . Более того, головоломки, состоящие из нескольких металлических частей, соединённых вместе неким образом, также считаются принадлежащими этой категории.

Две головоломки, показанные на рисунке, особенно хороши для вечеринок, поскольку они легко разбираются, но, в реальности, многие не могут решить эту задачу. Проблема здесь заключается в форме частей - узлы соединения являются коническими и, поэтому, могут двигаться только в одном направлении. Однако каждая часть имеет два различных направления конусов с прилегающими частями, так что одна часть не может быть извлечена ни в одном направлении.

Рисунок показывает версию головоломки на расцепление. Хотя выглядит она незамысловато, она достаточно трудна - большинство сайтов с головоломками причисляют её к одной из самых трудных.

Проволочные головоломки (англ.: Vexiers) - это другой вид головоломок на расцепление. В них нужно расцепить две или более проволочные части. Они также распространились во время общего помешательства на головоломках в конце 19-го века. Большая часть проволочных головоломок нашего времени пришло из того периода.

Так называемые кольцевые головоломки, в которые входят китайские кольца, это другой вид проволочных головоломок. В этих головоломках длинная проволочная петля должна быть освобождена от пут колец и проволок. Число шагов, требующихся для освобождения петли, часто экспоненциально зависит от числа колец в головоломке. Распространён тип, в котором кольца соединены с бруском верёвками (или металлическими эквивалентами), имеет схему решения, идентичному бинарному коду Грея, в котором каждое слово отличается от соседнего только одним битом.

Заслуживает внимания головоломка, известная как китайские кольца, кольца Кардана, Меледа или головоломка ренессанса. Головоломка упоминалась в манускрипте «De Viribus Quantitatis» Луки Пачоли примерно в 1500 году как «Задача 107». Та же головоломка упоминается в издании 1550 года книги Джероламо Кардано «De subtililate». Хотя головоломка принадлежит классу головоломок на расцепление, её решение может быть представлено как бинарная математическая процедура.

Головоломки на складывание бумаги

Целью этого жанра головоломок является складывание бумаги таким образом, что в результате получаем определённый рисунок. В принципе, головоломку «Магия Рубика » можно отнести к этой же категории. Лучший пример показан на рисунке. Задача состоит в складывании квадратного листа бумаги таким образом, что числа стали бы примыкать друг к другу без щелей и образовали квадрат.

Другая головоломка на складывание бумаги - складывание проспектов и карт города. Несмотря на то, что линии сгиба часто указывают, где сгибать, бывает очень трудно сложить бумагу именно в том виде, какой она была. Причиной является то, что процесс складывания разрабатывается специально для складывающей машины, оптимизируя процесс укладки, и эту оптимальную укладку обычные люди не всегда пытаются воспроизвести.

Замки-головоломки

Основная статья: Замки-головоломки

Эти головоломки, называемые также замками с секретом , являются замками (часто навесными), имеющими необычный механизм запора. Целью является открыть замок. Если вам дают ключ, он не откроет замок привычным путём. Для некоторых замков бывает трудно восстановить исходное состояние.

Сосуды с секретами

Это сосуды “с изюминкой”. Цель головоломки - выпить или вылить содержимое сосуда, не пролив ни капли. Головоломка является древней формой игры. Греки и финикийцы делали контейнеры, которые нужно было заполнять через дно. В 9-ом столетии множество различных сосудов было описано в деталях в турецкой книге. В 18-ом веке китайцы также делали сосуды такого вида для питья.

Один из примеров - сосуд с секретом . В горлышке этого сосуда сделано много отверстий, которые позволяют влить жидкость в сосуд, но делают невозможным вылить жидкость из сосуда. Малозаметный канал проходит через ручку сосуда и, по верхнему краю, к носику. Если закрыть верхнее отверстие на ручке пальцем, можно пить жидкость из сосуда, всасывая её как через соломинку.

Невозможные объекты

Невозможные объекты - это объекты, которые, на первый взгляд, кажутся невозможными. Наиболее известный невозможный объект - корабль в бутылке . Цель головоломки - разгадать, как объект туда попал. Другая хорошо известная головоломка - куб, сделанный из двух частей, зацеплённых в четырёх местах неразборными соединениями (пример). Решения этих головоломок могут заключаться в разных местах. Есть много объектов, попадающих под описание таких головоломок – бутылки, в которых находятся чересчур большие предметы (см. невозможные бутылки ), японские монеты с дырами, в которых находится деревянная стрела с кольцом, деревянные сферы в деревянной раме и многое другое.

Яблоки со стрелой на рисунке сделаны из одного куска дерева. Отверстие в яблоке слишком мало, чтобы протолкнуть в него стрелу, и нет никаких признаков склеивания.

Головоломки, требующие ловкости, загонялки

Игры этой категории, строго говоря, не являются головоломками, поскольку терпение и ловкость здесь играют главную роль. Часто целью является путём наклона коробки с прозрачной крышкой заставить шарик попасть в отверстие.

Головоломки с перемещением сегментов

Головоломки этой категории требуют многократных манипуляций, чтобы привести головоломку в нужное состояние. Знаменитые головоломки такого типа - кубик Рубика и Ханойская башня . В эту категорию входят также головоломки, в которых одну или несколько частей следует сдвинуть в нужное положение. Из такого рода головоломок наиболее известна «Игра в 15 ». Игры «Час Пик»

Среди многих известных определений механических головоломок для нас наиболее подходит предложение видного американского исследователя Джерри Слокума (Jerry Slocum): Механическая головоломка - это самостоятельный объект, состоящий из одной или более частей, содержащий задачу для одного человека, решаемую манипуляциями с помощью логики, рассуждений, озарения, везения и (или) терпения.

Из этого, во-первых, следует, что для решения механических головоломок (в дальнейшем - МГ) не должно требоваться дополнительных приспособлений (штопора, отвёртки, магнита) - как самостоятельный объект она содержит в себе всё необходимое для решения задачи. Решатель может привлечь на помощь лишь логику, воображение, или, на худой конец, терпение.

Из этого определения также следует, что шахматы, нарды, преферанс, поддавки и др. состязательные игры не относятся к МГ. Поскольку они «озадачивают» не одного человека, а требуют наличия партнёра (соперника) в игре. В то же время шахматную или шашечную задачу можно отнести к головоломкам, так как её можно решать и в одиночку.

Классификация механических головоломок
Классифицировать головоломки - это значит распределить их по классам в зависимости от их общих признаков и закономерных связей между ними. В настоящее время во многих странах мира в музеях, домашних коллекциях, на прилавках существуют десятки тысяч МГ. Это головоломки старинные и современные, простые и сложные, самодельные и изготовленные промышленным способом из разных материалов - металла, кожи, бумаги, стекла и пластмассы, камня и керамики, различных пород дерева. И чтобы ориентироваться в этом огромном количестве столь специфических предметов, необходимо продуманно разложить их по полочкам, то есть, классифицировать.

Мы приведём здесь классификацию МГ, разработанную Дж. Слокумом (с некоторыми добавлениями) и опишем её примерами.
Все известные МГ по характеру задач можно условно разделить на 10 классов:

1. Головоломки на складывание.
2. Разборные головоломки.
3. Не распадающиеся.
4. Головоломки на расцепление и распутывание.
5. С перемещением сегментов.
6. Головоломки, требующие ловкости, загонялки.
7. Сосуды-головоломки.
8. Исчезновение частей фигур.
9. Флексагоны, трансформеры.
10. Невозможные объекты.

Опишем кратко и приведём примеры головоломок каждого класса.
Головоломки на складывание. По ассортименту это самый большой и старейший класс, к нему относятся около трети всех изобретаемых в мире МГ. Задачей является собрать объект из составных элементов, чтобы он отвечал некоторым дополнительно заданным условиям. МГ этого класса в свою очередь можно разделить на плоскостные (Танграм, различного рода складушки, укладки, пазлы, полиформы, полимино) и объемные (Кубики для всех Б. Никитина, 3-D пазлы и др).

Разборные головоломки. Задача в головоломках этого класса заключается в том, чтобы разделить на части, открыть или извлечь некоторый объект. К ним относятся ящики и шкатулки с секретом, замки и перочинные ножи, открывающиеся необычным образом, различного рода предметы, разделяющиеся хитрым путём.

Не распадающиеся головоломки. Основная задача - собрать из составных элементов объект воедино, так, чтобы он составлял цельную конструкцию. Как правило, обратная задача - разобрать объект - бывает также достаточно сложна, и в этом ещё одно отличие головоломок этого класса от головоломок на складывание (деревянные узлы, суперузлы, шаркунки и др).

Головоломки на распутывание и расцепление.
Бытовое название - шнурковые головоломки, а математики их называют топологическими, потому что их решение зачастую связано с данным разделом математики. Существуют сотни разных шнурковых головоломок, но все они построены на нескольких основных принципах. Исследователи А. Калинин и Д. Вакарелов описывают пять таких основных принципов: «путешествие петли», «обход малой дырки», «переход через большое препятствие, следуя его форме», «удваивание верёвки», «топологические меледы». Головоломки этого класса наиболее доступны для домашнего изготовления в силу их технологичности.

Головоломки с перемещением сегментов.
Задачей является упорядочивание взаимного расположения элементов при ограничениях, накладываемых конструкцией. Классическими стали «Игра-15» (их еще называют «пятнашки») С. Лойда, «Магический Кубик» Эрнё Рубика (всем известный «Кубик Рубика»), головоломки Уве Мефферта. Многие интересные варианты разрезных головоломок этого класса были изобретены в последнее время. Среди них «Глобус» Александра Марусенко (Украина), головоломки на маневрирование Сергия Грабарчука (Украина), «Кубик» Михаила Гришина (Россия).

Головоломки-загонялки.
Игрушки этого класса многочисленны, многие из них известны исстари. Это, как правило, двух- и трёхмерные лабиринты с перекатывающимися шариками. Некоторые образцы загонялок имеют неожиданное решение, основанное на знании законов физики, и могут эффективно использоваться в дидактических целях.

Сосуды-головоломки.
Это сосуды с сюрпризом, который выявляется, как правило, при прямом употреблении (типа «напейся, но не облейся»). Согласно исследованиям А. Т. Калинина, секреты таких «потешных кубков» были известны русским мастерам гончарного дела. В частности, такие кубки изготавливались на Измайловском стекольном заводе, основанном в 1668 году специально для изготовления посуды для царских нужд.
В наше время настоящими мастерами по изготовлению сосудов-головоломок являются Алексей Бондарь, г. Вологда, и Юрий Спесивцев, с. Заолешенка Курской области. Технологические секреты наших предков они сочетают с собственными изобретениями в гончарном деле.

Гибкие головоломки.
Это флексагоны, калейдоциклы, трансформеры и другие игровые предметы, элементы которых связаны между собой гибкими связями.
Российские изобретатели и дизайнеры внесли свою лепту в разработку новых головоломок этого класса. В отечественной педагогике успешно используются дидактические игры Вячеслава Воскобовича из Санкт-Петербурга. Оригинальны авторские разработки художника-дизайнера москвички Ирины Явнель «Пропавшая картина», «Загадка для цветоводов».

«Невозможные» объекты.
Головоломки это класса обычно вызывают много вопросов: "Каким образом прошла деревянная стрела сквозь стенки стеклянной бутылки? Ведь и наконечник, и оперение стрелы гораздо больше отверстия в стенках?"
Фотографии таких головоломок можно вполне могут сойти за фотомонтаж, несмотря на то, что это снимок реального объекта.

Дидактические свойства головоломок

Механические головоломки - это наглядные иллюстрации различных разделов математики: теории групп, комбинаторики, теории графов, топологии, а также механики, динамики, оптики, других точных и гуманитарных наук.
«Я с детства уважал головоломки и, видимо, поэтому стал понимать, как идёт развитие ума ребёнка. ... Учителя в школах, как правило, делают детей знающими, а изобретатели и пропагандисты головоломок делают детей умными» (Б. П. Никитин).
«Чтобы физика, математика и другие важные предметы не казались скучными, мы приносим на занятия необычные игрушки-головоломки. Разгадывая механические загадки, студенты тренируют своё пространственное воображение, учатся умению формализовать задачу, логически мыслить. После этого самые абстрактные законы становятся понятными и доступными для применения в обычной жизни» - говорит Марсель Гильен преподаватель высшей школы из Люксембурга. У Марселя и его друга и коллеги, преподавателя средней школы, Карло Гита - крупные домашние коллекции головоломок (более 10 тысяч экземпляров каждая) и они эффективно используются в учебном процессе.
Кстати, именно так был изобретён знаменитый венгерский кубик: преподаватель студии архитектурного дизайна Эрнё Рубик придумал его первоначально для своих студентов как пособие для развития пространственного воображения.
Не менее знаменитая головоломка Сома-куб также была придумана во время лекции Гейзенберга по ядерной физике. Автор её - датский физик и поэт Пит Хейн, в то время (1936 г) студент университета.
Автор знаменитой «Математической смекалки» Б.А. Кордемский выбрал темой своей диссертации «Внеучебные задачи на смекалку как одна из форм развития математической инициативы у подростков и взрослых».

Интересную с точки зрения педагогики интерпретацию механических головоломок дал проф. А. И. Пилипенко, который исследовал в своих трудах так называемый феномен психолого-познавательных барьеров в обучении. Это феномен особенно чётко наблюдается в преподавании технических дисциплин. Он заключается в массовом бессознательном воспроизведении типичных затруднений, заблуждений, ошибок, ложных умозаключений в учебной мыслительной деятельности учащихся. Головоломка - считает проф. Пилипенко - это искусственно созданная модель такого барьера. Наблюдая процесс решения головоломок, педагог получает возможность изучить внутренние механизмы формирования типичных ошибок, трудностей и недоразумений, возникающих при обучении школьников и студентов.

Важно обратить внимание на отличие головоломок от состязательных игр. В состязательных логических играх соперники по определённым игрой правилам борются друг с другом. «Спортивная злость», как правило, направляется против соперника. Примеры неприязненных личных отношений между многими выдающимися спортсменами хорошо известны.

В мире головоломок человек-решатель сталкивается не с другой личностью, а с проблемой, заключённой в материальном предмете. Конечно, за этим предметом всегда стоит известный или безымянный человек-изобретатель, придумавший эту механическую задачу. Но прямого очного противостояния этих личностей здесь нет. И этот вызов человеческому интеллекту, оформленный в виде механической головоломки, не подталкивает людей к разобщению.

Конечно, головоломку совсем не обязательно решать в одиночку - можно и вдвоём, и втроём, и всем экипажем. И такое совместное решение головоломок только сплачивает людей, как и всякая другая деятельность, направленная на достижение общей цели.
Этим не отвергается возможность использования головоломок в качестве предмета спортивных соревнований. В последнее время пазлспорт активно развивается, проводятся региональные соревнования, чемпионаты России и мира по решению головоломок.

Несмотря на изобилие компьютерных игр, МГ отнюдь не собираются устаревать - они создаются вновь, развиваются и доставляют людям интеллектуальное удовольствие. Англичанин Эдвард Хордерн, признанный авторитет в этой области, дал этому такое объяснение: «...сегодня многие испытывают определённый страх перед головоломками, полагая, что будут выглядеть дураками, если им не удастся решить задачу. В действительности же головоломки предназначены, прежде всего, чтобы доставлять людям удовольствие. Переживание успеха, ощущение нирваны - эти чувства действуют на человека так же опьяняюще, как будто он только что покорил труднодоступную горную вершину.

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с проблемами физического характера. Механические головоломки являются моделями таких ситуаций. Их решение помогает нам развить наши интеллектуальные способности. Педагогические аспекты головоломок, связанные с необходимостью нетривиального мышления, без сомнения могут быть использованы для образования детей. Дети решают головоломки часто быстрее взрослых, поскольку они мыслят пока ещё не стереотипно...»

В отличие от занимательных задач, обычно решаемых с помощью карандаша и листка бумаги, механические головоломки требуют кое-какого специального "оборудования", реквизита и ловких рук. Этим "оборудованием" могут быть и самые обыкновенные кусочки картона, и замысловатые конструкции из дерева и металла, повторить которые по плечу далеко не каждому мастеру. Среди тех механических головоломок, которые иногда продаются в магазине игрушек, встречаются чрезвычайно интересные с математической точки зрения. По этой причине некоторые любители математических развлечений их коллекционируют. Самая большая из известных мне коллекций собрана Лестером А. Граймзом, инженером по технике противопожарной безопасности из Нью-Рошелла, штат Нью-Йорк. (Несколько менее обширная коллекция, в которой, однако, более полно представлены старинные игрушки XIX века и китайские головоломки, принадлежит Томасу Рэнсому из Белвилла, пров. Онтарио, Канада.) Коллекция Граймза насчитывает около 2000 разнообразнейших головоломок; среди них встречаются и подлинные шедевры и редкости. О головоломках из этой коллекции и пойдет в основном речь в этой главе.

История головоломок еще не написана. Тем не менее вряд ли можно сомневаться в том, что древнейшей из них является старинная китайская игра танграм, известная в Китае под названием чи-чао-тю (что означает "хитроумный узор из семи частей"). В течение вот уже нескольких тысячелетий эта игра служит любимым развлечением в странах Востока, а с начала XIX века она получила распространение и на Западе. Рассказывают, что Наполеон, находясь в изгнании на острове Св. Елены, часами занимался составлением картинок из элементов танграма. Название "танграм" (неизвестное в Китае), по-видимому, было придумано в середине XIX века каким-то английским или американским "игрушечных дел" мастером, чье имя, к сожаленю, до нас не дошло.

Фигуркам, которые можно составить из семи элементов танграма, посвящено множество альбомов и книг * . Среди них следует упомянуть и небольшую книжку знаменитого американского составителя головоломок Сэма Лойда, ныне ставшую библиографической редкостью и высоко ценимую знатоками.

* (Много задач такого рода собрано в книге Я. И. Перельмана "Фигурки-головоломки из 7 кусочков", Л.- М., "Радуга", 1927. См. также книгу Б. А. Кордемского и Н. В. Русалева , о которой говорится в предыдущем примечании.- Прим. ред. )

Время от времени появлялись и другие головоломки, похожие на танграм (так, древние греки и римляне развлекались тем, что складывали фигурки из "обломков" разрезанного на 14 частей прямоугольника; изобретение этой игры приписывают Архимеду), но пережить танграм не суждено было ни одной из них. Чтобы понять причину удивительного,долголетия этой старинной китайской игры, достаточно определенным образом разрезать квадрат из плотного картона и испытать свое искусство в складывании уже известных и придумывании новых фигурок. Схема разрезания квадрата показана на рис. 173. Ту часть квадрата, которая имеет форму параллелограмма, следует окрасить в черный цвет с двух сторон, чтобы при желании ее можно было переворачивать на другую сторону. В каждой фигуре должны быть использованы все семь элементов танграма. Трудности, как правило, возникают лишь при составлении геометрических фигур. О том, какие изящные силуэты можно выложить из семи элементов танграма, вы можете судить по рис. 173.

Рис. 173. Китайский танграм (вверху слева) и некоторые из фигурок, которые можно составить из семи элементов - "танов"

Простые головоломки, связанные с разрезанием фигур, иногда могут приводить к весьма нетривиальным математическим задачам. Предположим, например, что вы хотите найти все (различные) выпуклые многоугольники (многоугольник называется выпуклым, если все его внешние углы больше или равны 180°), которые можно составить из семи "танов". После длительного пользования методом проб и ошибок вам удастся найти некоторые из них, но как доказать, что вы нашли все выпуклые многоугольники? Два китайских математика, Фу Тренван и Чуань Чисюнь, в 1942 году опубликовали статью, в которой рассмотрели эту задачу. Их подход к решению был весьма остроумен. Каждую из пяти больших частей танграма (два больших треугольника, один треугольник поменьше, квадрат и параллелограмм); можно разбить на равнобедренные прямоугольные треугольники, конгруэнтные двум самым маленьким треугольникам танграма. Всего при этом получится 16 совершенно одинаковых равнобедренных прямоугольных треугольников. С помощью тонких рассуждений авторы показали, что из этих 16 треугольников можно построить 20 различных выпуклых многоугольников (многоугольники переходящие друг в друга при поворотах и отражениях, различными не считаются). Отсюда уже нетрудно доказать, что лишь 13 из найденных 20 выпуклых многоугольников можно построить из деталей танграма.

Среди 13 допустимых многоугольников имеется: один треугольник, шесть четырехугольников, два пятиугольника и четыре шестиугольника. Треугольник и три четырехугольника показаны на рис. 173. Приятной, но отнюдь не легкой задачей может служить отыскание девяти остальных выпуклых многоугольников. Каждый из них можно построить несколькими способами, но один из шестиугольников по трудности превосходит все 12 остальных фигур.

Другая широко распространенная разновидность головоломок, различные варианты которой встречались много веков назад,- игры с шашками или какими-нибудь заменяющими их предметами, которые для достижения того или иного результата необходимо передвигать по доске в соответствии с принятыми правилами. Одна из лучших головоломок этого типа, широко распространенная в Англии времен королевы Виктории, показана на рис. 174. Цель игры заключается в том, чтобы за наименьшее число ходов поменять местами черные и белые фишки. Ходом считается либо перемещение фишки из одного квадрата в соседний пустой квадрат, либо перепрыгивание через соседнюю фишку в пустой квадрат. Перепрыгивать можно через фишки как своего, так и другого цвета. Все фишки ходят, "как шахматная ладья", ходить по диагонали запрещается. В большинстве сборников головоломок приводится решение этой задачи в 52 хода, но известнейший английский специалист по головоломкам Генри Дьюдени нашел изящное решение в 46 ходов. Играть в эту игру можно маленькими фишками, помещая их прямо на рис. 174. Все квадраты пронумерованы, чтобы читателю легче было записывать ходы.

И танграм и головоломка с перестановкой фишек в некотором смысле являются приятными исключениями: их нетрудно построить самому. Большинство же головоломок в коллекции Граймза настолько сложны по своему устройству, что выполнить их возьмется далеко не каждый мастер. Полностью оценить их можно лишь тогда, когда у вас есть возможность подержать и повертеть их в своих руках, поэтому я ограничусь лишь кратким описанием этой разновидности головоломок. Сюда входят: шкатулки, кошельки, портсигары и всякого рода коробочки с потайными замками, которые вы должны найти и открыть; сотни головоломок из причудливо изогнутых проволочек, которые нужно расцепить; серебряные браслеты и кольца, составленные из отдельных хитроумно сцепленных между собой деталей; различные предметы, опутанные веревочками, которые нужно умудриться снять, не разрезая и не развязывая этих веревочек; игры, в которых вы должны проявить всю вашу ловкость и, встряхивая или острожно поворачивая коробочку закрытую сверху стеклом, загнать шарики или какие-нибудь другие мелкие предметы в то или иное положение; кольца, которые нужно снять с продетых в них стержней; головоломки типа Колумбова яйца; китайские головоломки, составленные из сцепленных между собой кусочков дерева самой замысловатой формы; игры с перекладыванием фигур и перестановкой фишек и сотни любопытнейших головоломок, не поддающихся никакой классификации. Кто изобретает такие игрушки? Проследить их происхождение до самых истоков - задача непосильная: во многих случаях нам неизвестно даже, в какой стране изобретена та или иная головоломка.

Однако и здесь имеется одно счастливое исключение. Особый раздел в коллекции Граймза занимают около 200 замечательных головоломок, изобретенных и сконструированных Л. Д. Уитткером , ветеринаром из Фармвиля, штат Виргиния. Все они искусно вырезаны из драгоценных пород дерева (Уитткер вытачивает их в мастерской, устроенной в подвале его дома), многие из них очень сложны и дьявольски остроумны. Как правило, головоломка имеет вид коробочки с отверстием в крышке. Бросив туда стальной шарик, вы должны выкатить его через другое отверстие в боковой стенке. Над коробочкой разрешается производить любые манипуляции, не ломая и не открывая ее. Разумеется, одними лишь постукиваниями по коробочке мы не сможем заставить шарик прокатиться по всем внутренним ходам и выйти наружу. Некоторые препятствия на своем пути он сможет преодолеть лишь в том случае, если мы догадаемся определенным образом встряхнуть коробочку. Другие барьеры с его пути можно убрать, если воспользоваться магнитом или подуть в специальную дырочку. Внутренние магниты размещены так, что они притягивают к себе шарик, удерживая его. Вы ничего не подозреваете об этом, потому что внутри коробки специально для того, чтобы ввести вас в заблуждение, положены "подставные" шарики, которые и будут греметь при встряхивании головоломки. Снаружи коробочки могут быть колесики, рычажки и кнопки самого различного вида. Манипулируя определенным образом некоторыми из них, вы можете помочь шарику выбраться наружу; некоторые же из них сделаны лишь для того, чтобы обмануть вас. Иногда для того, чтобы протолкнуть шарик через очередное препятствие, нужно ткнуть булавкой в незаметную на первый взгляд дырочку.

Несколько лет назад Граймз и Уитткер заключили между собой соглашение, по которому Граймз через определенный промежуток времени регулярно должен получать от Уитткера новую головоломку. Если Граймз успеет разгадать ее в течение месяца, то он вправе оставить новинку у себя безвозмездно; в противном случае он должен купить ее. Иногда стороны, не довольствуясь условиями соглашения, заключали еще и азартные пари. Как-то раз Граймз почти год безуспешно бился над разгадкой головоломки Уитткера, но все его усилия так и не привели к успеху. С помощью маленького компаса

Граймз установил расположение внутренних магнитов, а изогнутыми проволочками обследовал все отверстия. Выходное отверстие было закрыто пробкой, которую нужно было протолкнуть внутрь, но что-то удерживало ее: по-видимому, расположенные внутри стальные шарики. Граймз догадался, что, наклонив определенным образом коробку, он сумеет выкатить шарики из-под пробки, но все его попытки оканчивались неудачей. В конце концов он просветил устройство рентгеновскими лучами (рис. 175) и решил головоломку. На рентгенограмме обнаружилась одна большая полость, в которую нужно было загнать пятый шарик. Когда все пять шариков заняли свои места, пробка поддалась.

Остальное было уже не так трудно, хотя один раз для выполнения сложного маневра потребовалось 3 руки: надавливая правой и левой рукой на определенные места футляра, нужно было еще поднять рычажок, удерживаемый сильной пружиной. Граймзу удалось проделать и этот трюк, привязав к рычажку нить, другой конец которой был прикреплен к его ноге!

Ответы

При игре в танграм обычно труднее всего бывает построить изображенный на рис. 176 шестиугольник. Это самый сложный из всех 13 известных в танграме выпуклых многоугольников. Решение единственно с точностью до перестановки заштрихованных кусков фигуры.

Решение задачи о перестановке черных и белых фишек в 46 ходов выглядит так:

10 - 8 - 7 - 9 - 12 - 6 - 3 - 9 - 15 - 16 - 10 - 8 - 9 - 11 - 14 - 12 - 6 - 5 - 8 - 2 - 1 - 7 - 9 - 11 - 17 - 16 - 10 - 13 - 12 - 6 - 4 - 7 - 9 - 10 - 8 - 2 - 3 - 9 - 15 - 12 - 6 - 9 - 11 - 10 - 8 - 9.

После 23 ходов черные и белые фишки образуют на доске симметричный узор. Поэтому вторая половина ходов просто повторяет в обратном порядке ходы, сделанные в первой половине игры.

Возможны изящные решения в 46 ходов, отличные от решения Дьюдени. Один из читателей нашел 48 таких решений в 46 ходов, которые существенно отличались друг от друга.

Дата: 2014-01-09 Редактор: Загуменный Владислав

Чтобы говорить о механических головоломках (в дальнейшем - МГ), мы должны сначала дать определение этому понятию. Ведь зачастую мы называем головоломкой любое бытовое затруднение.

Американский исследователь Джерри Слокум (Jerry Slocum) даёт следующее определение: МГ - это самостоятельный объект, состоящий из одной или более частей, содержащий задачу для одною человека, решаемую манипуляциями с помощью логики, рассуждений, озарения, везения и (или) терпения.

Из этого, во-первых, следует, что для решения МГ не должно требоваться дополнительных приспособлений (штопора, магнита) - как любой самостоятельный объект она содержит в себе всё необходимое для решения задачи. Решатель может привлечь на помощь лишь логику (или, на худой конец, терпение).

Из определения так же следует, что шахматы, нарды, преферанс, поддавки и др. состязательные игры не относятся к МГ. Поскольку они «озадачивают» не одного человека, а требуют наличия партнёра (соперника) в игре. В то же время шахматную или шашечную задачу можно отнести к головоломкам, так как ее можно решать и в одиночку.

Классификация механических головоломок

Классифицировать МГ - это значит распределить их по классам в зависимости от их общих признаков и закономерных связей между ними. Ведь в настоящее время в различных странах мира в музеях, домашних коллекциях, на прилавках существуют десятки тысяч МГ. Это старинные и современные, простые и сложные, самодельные и изготовленные промышленным способом из разных материалов - металла, кожи, бумаги, стекла и пластмассы, камня и керамики, различных пород дерева.

Мы приведём здесь классификацию МГ, разработанную Дж. Слокумом (с некоторыми несущественными упрощениями) и проиллюстрируем её примерами.

Все известные МГ по характеру задач можно условно разделить на 10 классов (которые в свою очередь, по конструктивным признакам, делятся на семейства).

1) На складывание.
2) Разборные.
3) Не распадающиеся.
4) На расцепление и распутывание.
5) С перемещением сегментов.
6) Требующие ловкости, загонялки.
7) Сосуды-головоломки.
8) На исчезновение частей фигур.
9) Гибкие, флексагоны, трансформеры.
10) Невозможные объекты.

Логические на складывание . По ассортименту это самый большой и старейший класс. К нему относятся около трети всех изобретаемых в мире МГ. Задачей является собрать o6ъект из составных элементов, чтобы он отвечал некоторым дополнительно заданным условиям. Головоломки этого класса в свою очередь можно разделить на плоскостные (старинный Танграм, различного рода складушки, укладки, пазлы, полиформы, полимино) и объемные («Кубики для всех» Б.П. Никитина, объёмные пазлы и др).

Разборные . Задача в головоломках этого класса заключается в том, чтобы разделить на части, открыть или извлечь некоторый объект. К ним относятся ящики: шкатулки с секретом, замки и перочиные ножи, открывающиеся необычным образом, различного рода предметы, разделяющиеся хитрым путём.

Не распадающиеся . Основная задача - собрать из составных элемента объект воедино так, чтобы он составлял цельную конструкцию. Как правило, обратная задача - разобрать объект - бывает также достаточно сложна, и в этом ещё одно отличие головоломок этого класса от головоломок на складывание (деревянные узлы, суперузлы, шаркунки и др) как на сайте http://gamelayer.ru .

На распутывание и расщепление . Математики их называют топологическими, потому что решение таких головоломок тесно связано с топологией. Существуют сотни разных топологических головоломок, но все они построены на нескольких основные принципах. Болгарский математик Димитр Вакарелов обнаружил пять таких основных принципов: «путешествие петли», «обход малой дырки», «переход через большое препятствие, следуя его форме», «удваивание верёвки», «топологические меледы». Головоломки этого класса наиболее доступны для домашнего изготовления в силу их технологичности, у нас в стране прекрасные образцы из металла делают Александр Башкиров (г.Чехов Московской области), Юрий Ивченко из Москвы и другие мастера.

Анатолий Калинин, автор многих оригинальных шнурковых головоломок, советует при решении таких головоломок пользоваться следующими правилами:
1. Замените мысленно (или на модели головоломки) жёсткие части на гибкие. Измените конфигурацию головоломки, уберите все лишнее, например, петли, повороты. Постепенно возвращайтесь к исходной конфигурации.
2. Измените задачу на обратную. Попытайтесь понять, почему при этом головоломка решается проще.
Головоломки с перемещением сегментов. Задачей является упорядочивание взаимного расположения элементов при ограничениях, накладываемых конструкцией (скользяшки, в том числе пятнашки, разрезные головоломки, в том числе Кубик Рубика).

Многие интересные варианты разрезных головоломок с перемещающимися сегментами были изобретены в нашей стране. Среди них головоломка «Причеши Ежа» Анатолия Калинина, Кубик Михаила Гришина из Москвы и др.

Головоломки, требующие ловкости, загонялки . Игрушки этого класса многочисленны, многие из них известны исстари. Это, как правило, двух- и трёхмерные лабиринты, а также головоломки с перекатывающимися шариками. Некоторые образцы их являются примерами занимательных головоломок с неожиданным «умным» решением. Их можно особенно эффективно использовать в дидактических целях.

Сосуды-головоломки . Это сосуды с сюрпризом, который выявляется, как правило, при прямом употреблении (типа «напейся, но не облейся»). Согласно исследованиям А. Т. Калинина, секреты таких «потешных» кубков были известны русским мастерам гончарного дела. В частности, такие кубки изготавливались на Измайловском стекольном заводе, основанном в 1668 году специально для изготовления посуды для царских нужд. В наше время мастером по изготовлению сосудов-головоломок является житель села Заолешенка Суджанского района Курской области Юрий Спесивцев. Технологические секреты наших предков Юрий Степанович сочетает с собственными изобретениями в гончарном деле.

Основанные на исчезновении частей фигур . В головоломках этого класса используются парадоксы геометрии, основанные на «исчезновении» или «появлении» фигур или их частей при взаимных перестановках элементов. «Таинственное исчезновение» С. Ллойда, «Курочка Ряба» дизайнера Валерии Мамедовой и др.

Гибкие . Это флексагоны, калейдоциклы, трансформеры и другие игровые предметы, элементы которых связаны между собой гибкими связями. Российские изобретатели и дизайнеры внесли свою лепту в разработку новых головоломок этого класса. В отечественной педагогике успешно используются дидактические игры Вячеслава Воскобовича из Санкт-Петербурга. Оригинальны авторские разработки художника-дизайнера москвички Ирины Явнель «Пропавшая картина». «Загадка для цветоводов» и др.

Невозможные объекты . Каким образом прошла эта деревянная стрела сквозь стенку стеклянной бутылки? Ведь и наконечник, и оперение стрелы гораздо больше отверстия в стенках.

Почему так странно движется этот металлический шарик, не нарушает ли он привычные для нас законы Ньютона?

Такие головоломки относятся к классу невозможных объектов. Задачей является смастерить подобный объект, или хотя бы объяснить, как он изготовлен.

Среди МГ этого класса - Волчок Михаила Гришина, «Близнецы» Ирины Новичковой, «Волшебная устрица», «Лодочка с черепашками» и др.

Дидактические свойства . Механические головоломки - отличные наглядные иллюстрации различных разделов математики: теории групп, комбинаторики, теории графов, топологии, а также механики, динамики, оптики, других точных и гуманитарных наук.

«Я с детства уважал головоломки и, видимо, поэтому стал понимать, как uдет развитие ума ребёнка. … Учителя в школах, как правило, делают детей знающими изобретатели и пропагандисты головоломок делают детей умными» (Б. П. Никитин).

«Чтобы физика, математика и другие важные предметы не казались скучными, мы приносим на занятия необычные игрушки головоломки. Разгадывая механические загадки, студенты тренируют своё пространственное воображение, учатся умению формализовать задачу, логически мыслить. После этого самые абстрактные законы становятся понятными и доступными для применения в обычной жизни» - говорит Марсель Гильен (Marcel Gille преподаватель высшей школы в городе Belvaux, что в Люксембурге. У Марселя и его друга и коллеги, преподавателя средней школы, Карло Гитта (Carlo Gitt) - крупные домашние коллекции головоломок (более 10 тысяч экземпляров каждая) и они эффективно используются в учебном процессе.

Кстати, именно так был изобретён знаменитый венгерский кубик: преподаватель студии архитектурного дизайна Эрнё Рубик придумал его первоначально для своих студентов как наглядное пособие для развития пространственного воображения.

Не менее знаменитая головоломка Сома-куб также была придумана во время лекции Гейзенберга по ядерной физике. Автор ее - датский физик и поэт Пит Хейн, в то время (1936 г.) студент университета.

Автор знаменитой «Математической смекалки Б.А. Кордемский выбрал темой своей кандидатской диссертации (1957 г.) «Внеучебные задачи на смекалку как одна из форм развития математической инициативы у подростков и взрослых».

Интересную с точки зрения дидактики интерпретацию механических головоломок дал доктор педагогических наук, кандидат физико-математических наук профессор А. И. Пили-пенко. В своих трудах профессор Пилипенко исследует так называемый феномен психолого-познавательных барьеров в обучении Это феномен особенно чётко наблюдается в преподавании физико-математических дисциплин. Он заключается в массовом бессознательном воспроизведении типичных затруднений, заблуждений, ошибок, ложных умозаключений в учебной мыслительной деятельности учащихся. Головоломка - считает профессор Пилипенко - это искусственно созданная модель такого барьера. Наблюдая процесс решения головоломок, педагог получает возможность изучить внутренние механизмы формирования типичных ошибок, трудностей и недоразумений, возникающих при обучении школьников и студентов.

Baжно обратить внимание на отличие головоломок от состязательных игр. В состязательных логических играх соперники по определённым игрой правилам борются друг с другом. «Спортивная злость», как правило, направляется против соперника. Примеры неприязненных личных отношений между многими выдающимися шахматистами хорошо известны.

В мире головоломок челозек-решатель борется не с другой личностью, а с неизвестностью, с задачей, заключённой в материальном предмете. Конечно, за этим предметом всегда стоит известный или безымянный человек-изобретатель, придумавший эту механическую задачу. Но прямого очного противостояния этих личностей здесь, как правило, нет. И этот вызов человеческому интеллекту, оформленный в виде механической головоломки, не подталкивает людей к разобщению.

Конечно, головоломку совсем ни осязательно решать в одиночку - можно и вдвоём, и втроём, и всем экипажем. И такое совместное решение головоломок только сплачивает людей, как и всякая другая деятельность, направленная на достижение общей цели.

Этим не отвергается возможность использования головоломок в качестве предмета спортивных соревнований. Последнее десятилетие пазлспорт активно развивается, проводятся региональные соревнования и чемпионаты России по решению головоломок. Российская сборная успешно участвует в международных чемпионатах по пазлспорту.

Несмотря на изобилие компьютерных игр механические головоломки отнюдь не собираются устаревать - они создаются вновь,. развиваются и доставляют людям интеллектуальное удовольствие. Англичанин Эдвард Хордерн (Edward Hordern), признанный авторитет в этой области, дал этому такое объяснение: «…сегодня многие испытывают определённый страх перед головоломками, полагая, что будут выглядеть дураками, если им не удастся решить задачу. В действительности же головоломки предназначены, прежде всего, чтобы доставлять людям удовольствие. Переживание успеха, ощущение озарения («Эврика! Я нашёл!) - эти чувства действуют так же опьяняюще, как и на человека, только что покорившего труднодоступную горную вершину. В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с проблемами физического характера. Механические головоломки являются моделями таких ситуаций. Их решение помогает нам развить наши интеллектуальные способности. Педагогические аспекты головоломок, связанные с необходимостью нетривиального мышления, без сомнения могут быть использованы для образования детей. Дети решают головоломки часто быстрее взрослых, поскольку они мыслят пока еще не стереотипно…»

Можно только удивляться тому, почему очевидные дидактические и развивающие свойства головоломок еще так слабо используются в отечественной педагогической практике.

Механическая головоломка - это самостоятельный объект, состоящий из одной или более частей, содержащий задачу для одного человека, решаемую манипуляциями с помощью логики, рассуждений, озарения, везения и (или) терпения.

Джерри Слокум (Jerry Slocum) — бывший инженер и вице-президент американской аэрокосмической компании, автор книг и многочисленных статей о головоломках, организатор международных встреч головоломщиков. Более пятидесяти лет он посвятил коллекционированию механических головоломок и изучению их истории. В двухэтажной пристройке к его дому, на полках разместилось около двадцати пяти тысяч экспонатов — самодельных и серийных, современных и старинных головоломок со всего мира.

Среди множества интересных и занимательных экземпляров, в его коллекции можно найти знакомые советским детям «светофоры» и «стеклянные лабиринты», «магический кубик» с автографом Эрно Рубика, необычные и замысловатые работы известных японских мастеров — Нобиюки Йосигахара (Nobuyuki Yoshigahara) и Акио Камэи (Akio Kamei). Головоломки Акио Камэи — хитроумные шкатулки без видимых рычагов и замочных скважин, и традиционные японские шкатулки с секретом — Химитсу-бако. Чтобы открыть такую шкатулку нужно сдвигать фрагменты стенок в определенной последовательности и в нужном направлении, число таких манипуляций может достигать десятков и даже сотен. Секрет таких «чёрных ящиков» может заключаться в гравитационных, магнитных или других типах устройств. Как, например, эта темная коробочка с шестью желтыми точками на крышке. Если знать название головоломки, то ответ очевиден — нужно направить её угол с нарисованной Полярной звездой на север, и шкатулка откроется сама собой.
В 2006 году Джерри Слокум пожертвовал свою коллекцию головоломок и книг для использования в учебной практике. Сейчас она бережно хранится в библиотеке университета штата Индиана (Блумингтон, США). Механические головоломки очень хорошо исполняют роль наглядных помощников в различных областях точных и гуманитарных наук. Они продолжают доставлять интеллектуальное удовольствие людям самых разных профессий и возрастов, развиваются и собирают вокруг себя изобретателей и простых любителей со всего мира.

Головоломки

1813 , первое письменное упоминание о Танграме (правление императоря Цзяцина)

1933 , Кубики Сома (Пит Хейни)

1953 , придумано название Полимино (Соломон Голомб)

1974 , Кубик Рубика (Эрнё Рубик)

1978 , Сколум основывает политическую Партию головоломщиков

1984 , Тетрис на основе Пентамино (Алексей Пажитнов)

1986 " Головоломки старые и новые " (Джерри Сколум)

1993 , Джерри Сколум основывает Международный Фонд Головоломок для их популяризации (его личная коллекция - более 40 тыс. головоломок и 4,5 тыс. книг о них)

2006 , Сколум подарил 30 тыс. головоломок библиотеке Университета штата Индиана