Секреты сборки кубика Рубика: элементы, части, ключевые понятия

Головоломка, придуманная как наглядное пособие к алгебраической теории, неожиданно увлекла весь мир. Уже не одно десятилетие далекие от высшей математики люди азартно бьются над сложной и увлекательной задачей. «Магический кубик» – отличный инструмент для развития логического мышления и памяти. Тем, кто впервые задался вопросом, как собрать кубик Рубика, схемы и комментарии помогут поддержать энтузиазм, и, возможно, открыть для себя мир спидкубинга.

Шесть граней головоломки имеют определенные цвета и порядок их расположения, запатентованные изобретателем. Многочисленные подделки часто выдают себя именно непривычными цветами или их положением относительно друг друга. Обучающие схемы и описания всегда используют стандартное цветовое оформление. Новичкам довольно просто запутаться в объяснениях, если использовать кубик с другой цветовой схемой.

Цвета противоположных граней: белый – желтый, зеленый – синий, красный – оранжевый.

Каждая сторона состоит из нескольких квадратных элементов. По их количеству различают виды кубиков Рубика: 3*3*3 (первый классический вариант), 4*4*4 (так называемая «Месть Рубика»), 5*5*5 и так далее.

Первая модель, собранная Эрнё Рубиком, представляла собой 27 деревянных кубиков, одинаково покрашенных в шесть цветов и составленных друг на друга. Изобретатель в течение месяца пытался сгруппировать их так, чтобы грани большого куба сложились из одинаковых по цвету квадратов. Еще больше времени заняла разработка механизма, который скрепил все элементы.

Современный кубик Рубика классической конструкции состоит из следующих элементов:

• Центры – неподвижные относительно друг друга части, закрепленные на осях вращения кубика. Они обращены к пользователю только одной окрашенной стороной. Собственно, шесть центров и образуют зеркальные пары в цветовой схеме.
• Ребра – подвижные элементы. Пользователь видит две цветные стороны у каждого ребра. Цветовые комбинации здесь тоже стандартные.
• Углы – восемь подвижных элементов, расположенных в вершинах куба. У каждой из них по три цветные стороны.
• Скрепляющий механизм – крестовина из трех жестко закрепленных осей. Существует альтернативный вариант механизма, похожий на сферу. Его используют в скоростных или многоэлементных кубиках. Особенно сложна конструкция кубов с четным количеством элементов на гранях – это система взаимосвязанных клик механизмов, иногда объединенная с крестовиной. Существуют магнитные механизмы для профессиональных скоростных кубов.

Игра с кубиком Рубика заключается в том, что при помощи подвижного механизма цветные элементы на гранях переупорядочивают и пытаются собрать в первоначальном порядке.

Фанаты головоломки соревнуются в решении на время. Кроме ловкости рук, для этого необходимо изучить, запомнить и довести до автоматизма сотни комбинаций цветных элементов и действий с ними. Этот необычный вид спорта называется спидкубинг.

Регулярно проводятся турниры спидкуберов, обновляются рекорды. Постоянно открываются новые горизонты для достижений. В рамках турниров проводятся соревнования по сборке вслепую, одной рукой, ногами и так далее.

Новейшее увлечение – сборка пасьянсов (узоров) на кубике.

Для того чтобы описывать манипуляции с головоломкой, записывать схемы решений, движения элементов относительно друг друга, и просто для удобства общения был создан язык вращений. Он представляет собой буквенные обозначения для каждой грани и для способов ее вращения.

Стороны головоломки обозначают заглавными буквами.

В русскоязычных руководствах по сборке кубика Рубика используют начальные буквы от русских названий:

• Ф – от «фасад»;
• Т – от «тыл»;
• П – от «правая»;
• Л – от «левая»;
• В – от «верх»;
• Н – от «низ».

В мировом сообществе используют начальные буквы от названий граней по-английски.

Обозначения, принятые в WCA (World Cube Association):

• R – от right;
• L – от left;
• U – от up;
• D – от down;
• F – от front;
• B – от back.

Центральный элемент называется так же, как грань (R, D, F и так далее).

Ребро примыкает к двум граням, его название состоит из двух букв (FR, UL и так далее).

Угол, соответственно, описывается тремя буквами (например, FRU).

Группы элементов, которые составляют средние слои между гранями, тоже имеют свои названия:

• M (от middle) – между R и L.
• S (от standing) – между F и B.
• E (от equatorial) – между U и D.

Вращение граней описываются буквами, называющими грани, и дополнительными значками.

• Апостроф «’» указывает на то, что грань или слой поворачиваются против часовой стрелки.
• Цифрой 2 обозначается повтор движения.

Возможные действия с гранью, например, с правой:

• R – вращение по часовой стрелке;
• R’ – вращение против часовой стрелки.
• R2 – двойной поворот, неважно в какую сторону, так как у грани всего четыре возможных положения.

Чтобы определить, в какую сторону поворачивать грань, нужно представить на ней циферблат часов и руководствоваться движением воображаемой стрелки.

Вращение противоположных граней «по часовой стрелке» получается встречным.

Движения средних слоев привязаны к внешним граням:

• Слой M вращается в тех же направлениях, что и L.
• Слой S – как F.
• Слой E – как D.

Еще одно важное обозначение «w» — одновременный поворот двух примыкающих слоев. Например, Rw – одновременное вращение R и M.

Повороты всего кубика целиком называются перехватами. Они выполняются в трех плоскостях, то есть по трем осям координат: X, Y, Z.

• x и x’ – повороты по оси X всего кубика. Движения совпадают с поворотами правой грани.
• y и y’ – повороты кубика по оси Y. Движения совпадают с вращениями верхней грани.
• z и z’ – вращение кубика по оси Z. Движение совпадает с вращением фронтальной грани.
• х2, y2, z2 – обозначения двойных перехватов по указанной оси.

Кроме общепринятых обозначений, руководства по сборке пестрят сленгом, популярными в среде спидкуберов названиями техник, приемов, алгоритмов, узоров и фигур на кубике и так далее. Не менее востребованы схематические описания алгоритмов, в которых используются только стрелки. Чем больше накапливается опыта в решении головоломки, тем проще понимать описания и объяснения, многие вещи начинают восприниматься интуитивно.

• Шапка – собранные на одной стороне кубика цветные элементы. Сборка головоломки – то же самое, что сборка всех шести шапок.
• Пояс – смежные с шапкой цветные элементы. Шапка может быть собрана так, что пояс состоит из разрозненных цветных фрагментов, то есть угловые и реберные элементы стоят не на своих местах.
• Крест – фигура на шапке из пяти фрагментов одного цвета. Сборку часто начинают с построения креста. Здесь нет четкого руководства. Этот шаг позволяет наибольшую свободу действий и требует определенных размышлений. Когда крест готов, остается следовать заученным алгоритмам.
• Флип – разворот угла или ребра на одном месте относительно центра, это действие требует применения специальных алгоритмов.

Схемы для начинающих помогут научиться и сберечь нервы, собирая безнадежно запутанный кубик, почувствовать логику движений и отработать простейшие алгоритмы.

Прежде чем совершить какое-то действие, необходимо осмотреть кубик. На состязаниях на «преинспекцию» отводится 15 секунд. За это время нужно найти элементы одного цвета, которые будут собираться в «шапку» на первом этапе. Традиционно начинают с белой стороны, то есть большинство руководств предполагает, что U – белая. «Мультиколорщики»-спидкуберы могут начать сборку с любой стороны, мысленно перестроив все готовые алгоритмы.

Кубик Рубика 2х2

«Мини куб» состоит из 8 угловых элементов. На первом этапе собирается один слой из четырех углов. На втором этапе – оставшиеся углы размещаются на своих местах, при этом они могут быть перевернуты, то есть цветные элементы будут находиться не на своих гранях. Останется развернуть их нужной стороной.

• Алгоритм «пиф-паф» позволяет перемещать угловой элемент и правильно его ориентировать. Если проделать эту последовательность действий шесть раз подряд, кубик придет в исходное положение. Таким образом, если кубик смешан, нужно применить его от 1 до 5 раз, чтобы установить элемент правильно. Запись алгоритма: RUR’U’.
• Когда один слой собран, надо повернуть кубик вторым слоем наверх. Двигая этот слой в любую сторону, установить один из углов на свое место. Далее применяется алгоритм, позволяющий поменять местами два соседних элемента – правый и левый угол передней грани. Последовательность действий следующая: URU’L’UR’U’LU.
• Когда все углы находятся на местах, их переворачивают (флипают) при помощи алгоритма «пиф-паф». На этом этапе важно не перехватывать кубик.

Как собрать кубик Рубика 3х3

1. Построить «белый крест», собрав 4 ребра с белыми наклейками вокруг белого центра.
2. Совместить цветные центры сторон R, L, U, D с подходящими ребрами «белого креста».
3. Поместить на свои места углы с белыми наклейками. При помощи алгоритма R’D’RD, повторенного до пяти раз, углы перевернутся в правильное положение.
4. Чтобы поместить на свои места ребра среднего слоя, надо перехватить кубик – у2. Выбрать ребро без желтой наклейки. Совместить его с центром, совпадающим по цвету с одной из сторон. Применяя формулы, сместить ребро в средний слой: Ребро опускается со смещением влево: U’L’ULUFU’F’. Ребро опускается со смещением вправо: URU’R’U’F’UF. Если элемент оказался на своем месте, но неправильно повернут, эти алгоритмы используются снова, чтобы переместить его в третий слой и установить заново.
5. Не перехватывая кубик, собрать желтый крест на шапке третьего слоя, повторяя алгоритм: FRUR’U’F’.
6. Совместить ребра последнего слоя с боковыми центрами правильно, как это делалось для первого креста. Два ребра легко встанут на свои места. Два другие придется поменять местами. Если они находятся друг против друга: RUR’URU2R’. Если на соседних сторонах: RUR’URU2R’U.
7. Расставить на правильные позиции углы последней грани. Если ни один из них не находится в положенном месте, применить формулу URU’L’UR’U’L. Один из элементов встанет правильно. Перехватить кубик этим углом к себе, он будет верхним правым на фронтальной грани. Перемещать остальные углы против часовой стрелки URU’L’UR’U’L или, наоборот, U’L’URU’LUR’. На этом этапе все собранные участки перестроятся, покажется, что что-то пошло не так. Важно следить, чтобы кубик не перевернулся и центр F не сместился относительно пользователя. Комбинацию ходов нужно повторять до 5 раз.
8. Возможно, угловые элементы потребуется развернуть, совместив цветные фрагменты с остальными гранями правильно. Чтобы развернуть (флипнуть) их, используется первая формула: R’D’RD. Важно не перехватывать кубик, чтобы F и U не менялись.

Кубик Рубика 4х4

Головоломки, имеющие больше трех элементов в ребре, предполагают гораздо большее количество комбинаций.

Особенно сложны «четные» варианты, так как в них нет жестко зафиксированного центра, который помогает ориентироваться в классической головоломке.

Для 4*4*4 возможны около 7,4*1045 позиции элементов. Поэтому его назвали «месть Рубика» или Мастер Кубик.

Дополнительные обозначения внутренних слоев:

• f – внутренний фронтальный;
• b – внутренний задний;
• r – внутренний правый;
• l – внутренний левый.

Варианты сборки: послойно, от углов или приведением к виду 3*3*3. Последний способ наиболее популярен. Сначала на каждой грани собирается по четыре центральных элемента. Потом подгоняются реберные пары и, наконец, выставляются углы.

• Собирая центральные элементы, надо помнить, какие цвета противопоставлены попарно. Алгоритм, чтобы менять местами элементы из средней четверки: (Rr) U (Rr)’ U (Rr) U2 (Rr)’ U2.
• При сборке ребер вращаются только внешние грани. Алгоритмы: (Ll)’ U’ R U (Ll); (Ll)’ U’ R2 U (Ll); (Ll)’ U’ R’ U (Ll); (Rr) U L U’ (Rr)’; (Rr) U L2 U’ (Rr)’; (Rr) U L’ U’ (Rr)’. В большинстве случаев ребра можно собрать интуитивно. Когда остается всего два реберных элемента: (Dd) R F’ U R’ F (Dd)’ – чтобы установить их рядом, U F’ L F’ L’ F U’ – чтобы поменять местами.
• Далее применяются формулы кубика 3*3*3 для перестановки и вращения углов.

Сложные случаи, которые требуют особенного решения, – паритеты. Их формулы не решают задачу, а выбивают элементы из тупиковой ситуации, приводя головоломку в вид, решаемый стандартными алгоритмами.

• Два соседних реберных элемента в неправильной ориентации: r2 B2 U2 l U2 r’ U2 r U2 F2 r F2 l’ B2 r2.
• Противопоставленные пары реберных элементов в неправильной ориентации: r2 U2 r2 (Uu)2 r2 u2.
• Пары реберных элементов, стоящих углом друг к другу, в неправильной ориентации: F’ U’ F r2 U2 r2 (Uu)2 r2 u2 F’ U F.
• Углы последнего слоя не на своем месте: r2 U2 r2 (Uu)2 r2 u2.

Быстрая сборка головоломки 5х5

Сборка заключается в приведении к классическому виду. Сначала собирается 9 центральных фрагментов на каждой шапке и по три реберных элемента. Последний этап – расстановка углов.

Дополнительные обозначения:

• u – внутренняя верхняя грань;
• d – внутренняя нижняя грань;
• e – внутренняя грань между верней и нижней;
• (две грани в скобках) – одновременный поворот.

Сборка центральных элементов проще, чем в предыдущем случае, так как есть жестко закрепленные цветовые пары.

• На первом этапе сложности могут возникнуть, если нужно поменять местами элементы на соседних гранях. Если они разделены одним реберным элементом: (Rr) U (Rr)’ U (Rr) U2 (Rr)’. Если они находятся на внутренних центральных слоях: (Rr)’ F’ (Ll)’ (Rr) U (Rr) U’ (Ll) (Rr)’.
• Совмещение реберных элементов интуитивно понятно, оно не затрагивает собранные центры: (Ll)’ U L’ U’ (Ll); (Ll)’ U L2 U’ (Ll); (Rr) U’ R U (Rr)’; (Rr) U’ R2 U (Rr)’. Сложность представляет только сборка последних двух ребер.

Формулы для паритетов:

• поменять местами элементы в слоях u и d на ребрах одной грани: (Dd) R F’ U R’ F (Dd)’;
• поменять местами реберные элементы, расположенные в среднем слое на одной грани: (Uu)2 (Rr)2 F2 u2 F2 (Rr)2 (Uu)2;
• развернуть эти элементы на своих местах, то есть флипнуть: e R F’ U R’ F e’;
• развернуть на месте реберный элемент среднего слоя: (Rr)2 B2 U2 (Ll) U2 (Rr)’ U2 (Rr) U2 F2 (Rr) F2 (Ll)’ B2 (Rr)2;
• поменять местами элементы в боковом слое на одной грани: (Ll)’ U2 (Ll)’ U2 F2 (Ll)’ F2 (Rr) U2 (Rr)’ U2 (Ll)2;
• флипнуть одновременно три реберных элемента на своем месте: F’ L’ F U’ или U F’ L.

Последняя задача – расстановка углов по принципу классического куба.

Самый быстрый способ. Метод Джессики Фридрих

Те, кто уже научился решать головоломку за 1 – 2 минуты, то есть может действительно быстро собрать кубик Рубика, подходят к принципиально новому пониманию задачи. Механическое ускорение на определенном этапе становится невозможным. Необходимы специальные алгоритмы и техники, чтобы уменьшить время поиска решений.

Послойная сборка классического варианта для ускорения процесса сводится к четырем задачам:

• начальный крест на одной шапке;
• одновременная сборка первого и второго слоев;
• последняя шапка;
• пояс третьего слоя.

Сложность в том, что приходится выучить и все время держать в голове 119 формул, составленных автором метода, Джессикой Фридрих. Группы алгоритмов F2L, OLL, PLL для каждого этапа описывают все возможные комбинации расположения элементов, развороты и перестановки, необходимые для работы с парами ребро-угол.

Метод позволяет решить головоломку меньше чем за 20 секунд.

Как собрать кубик Рубика с закрытыми глазами

Разработаны специальные приемы для облегчения этой задачи. Один из популярных в среде спидкуберов метод old Pochmann.

Сборка производится не послойно, а по группам элементов: сначала все ребра, потом углы.

Ребро RU – буферное. Применяя специальные алгоритмы, кубик, занимающий эту позицию, перемещают на свое место. Элемент, заменивший его в позиции RU, опять перемещают и так далее, пока все ребра не окажутся на своих местах. То же самое проделывают с углами. Особенность алгоритмов для сборки вслепую в том, что они позволяют переместить элемент, не перемешивая остальные.

В процессе слепой сборки куб не переворачивают, чтобы не запутаться.

Прежде чем приступить к сборке, кубик «запоминают». Мысленно создается цепочка, по которой элементы будут перемещаться. Каждой наклейке присваивается своя буква алфавита. Для ребер и для углов спидкубер составляет отдельные азбуки. Перемешанный кубик Рубика запоминают как последовательность букв. Верхняя наклейка на буферном кубике – первая буква, наклейка, которая занимает ее законное место – вторая и так далее. Для простоты, из последовательности букв составляют слова, а из слов – предложения.

Кому принадлежит рекорд по самой быстрой сборке кубика Рубика

Австралиец Феликс Земдегс дважды обновил мировой рекорд по сборке классического кубика Рубика в 2018 г. В начале года зафиксировано лучшее время 4,6 секунды, в мае головоломка решена за 4, 22 секунды.

22-летнему спортсмену принадлежит еще несколько действующих рекордов 2015 – 2017:

• 4x4x4 – 19.36 секунд;
• 5x5x5 – 38.52 секунд;
• 6x6x6 – 1:20.03 минут;
• 7x7x7 – 2:06.73 минут;
• мегаминкс – 34.60 секунд;
• одной рукой – 6.88 секунд.

Рекорд робота, зафиксированный в Книге рекордов Гиннесса, – 0,637 секунды. Уже существует действующая модель, способная собрать кубик за 0.38 секунды. Ее разработчики – американцы Бен Кац и Джаред Ди Карло.