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魔方原状 | |
转动魔方 | |
发明者 | 匈牙利建筑学教授暨雕塑家鲁比克·艾尔内 |
---|---|
类型 | 机械益智玩具 |
分类 | |
正阶魔方 | 二阶魔方至17阶魔方 |
异形魔方 | 改造的正阶魔方,多轴魔方,电子魔方 |
魔方,在台湾称为魔术方块,在香港称为扭计骰,為由匈牙利建築學教授暨雕塑家魯比克·艾爾內於1974年發明的機械益智玩具[1],最初的名稱叫Magic Cube[2],1980年Ideal Toys公司於販售此玩具,並將名稱改為Rubik's Cube[3]。
魔方在1980年代最為風靡,至今未衰。截至2009年1月,魔方在全世界售出了3億5千多萬個[4][5]。面世不久後,很多類似的玩具也紛紛出現,有些出自發明人魯比克,包括二階、四階和五階版本的魔方;有些則是出自他人之手。
1970年三月,Larry Nichols發明了「Puzzle with Pieces Rotatable in Groups」,並申請了加拿大專利,是個2×2×2的魔術方塊,但是每個方塊之間是用磁鐵互相吸在一起。1972年獲得美國專利 3,655,201,比魯比克教授的魔方早兩年。
魯比克·厄爾諾是匈牙利的建築學和雕塑學教授,為了幫助學生們認識空間立方體的組成和結構,所以他自己動手做出了第一個魔方的雛形來,其靈感是來自於多瑙河中的沙礫[6]
1974年,魯比克教授發明了第一個魔術方塊(當時稱作Magic Cube),並在1975年獲得匈牙利專利號HU170062,但沒有申請國際專利。第一批魔術方塊於1977年在布達佩斯的玩具店販售[7]。與Nichols的魔方不同,魯比克教授的零件是像卡榫一般互相咬合在一起,不容易因為外力而分開,而且可以以任何材質製作。
1979年九月,Ideal Toys公司將魔術方塊帶至全世界,並於1980年一、二月在倫敦、巴黎和美國的國際玩具博覽會亮相。
展出之後,Ideal Toys公司將魔術方塊的名稱改為Rubik's Cube,1980年五月,第一批魔術方塊在匈牙利出口[7]。
魔方廣為大眾喜愛是在1980年代。從1980年到1982年,總共售出了將近200萬個魔方。1981年,一個來自英國的小男孩,派翠克·波塞特(Patrick Bossert)寫了一本名叫《你也能夠復原魔方》(ISBN 978-0-14-031483-0)的書,總共售出了將近150萬本[7]。據估計,1980年代中期,全世界有五分之一的人在玩魔術方塊[6]。
由於魔方的巨大商機,1983年魯比克教授和他的合夥人一同開發了二階和四階魔方[8]。並於1986年製造了五階魔方[9]。
2003年,希臘的Panagiotis Verdes申請了五階到十一階魔術方塊的專利(五階魔術方塊的結構略與魯比克教授的魔術方塊不同),並於2008年在V-Cube公司生產五階、六階和七階的魔術方塊。
许多中国公司生产了复制或者改进的鲁比克版本或者V-Cube公司版本的魔方。其中最有名的是包大庆的大雁公司,他们生产孤鸿、凌云、轮回、展翅以及现在的磐石型号。尽管这些产品的合法性值得怀疑,但是相较于原始版本的产品,其较佳的转动性能使得许多专家级别的竞速玩家更愿意使用。
根據金氏世界紀錄第一場魔方比賽於1981年3月13日,第一名是慕尼黑出生的Jury Froeschl,花了38秒。
第一個國際性的比賽於1982年6月5日在布達佩斯舉行,當時的比賽項目只有速解魔術方塊,第一名是Minh Thai,花了22.95秒,之後又逐漸增加了其他比賽規則。
其實魔術方塊並不只有一種配色,現在所流行的是官方版本,事實上也還有其他版本的配色 (非官方標準六色的方塊不在以下討論範圍中)。
日本配色是魯比克教授最初研發出魔術方塊時的配色,分別為白色、紅色、橘色、黃色、綠色、藍色,其中白藍相對、紅橘相對、黃綠相對,且藍、橘、黃三色以逆時针排列。
在魔術方塊傳至全世界後,魯比克公司聽取色彩研究者的意見,將配色做了更改,但日本則維持原來的配色。目前世界上除了日本生產的魔方外,還有官方二階魔術方塊也是日本配色。
魯比克公司聽取色彩研究者的意見,將相對兩面的顏色安排為相同色系,也就是白黃相對、紅橘相對、藍綠相對,且藍、橘、黃三色以順時鐘排列。
V-Cube公司的配色與魯比克公司的配色相似,只是將白色換成黑色,即黑黃相對、紅橘相對、藍綠相對,且藍、橘、黃三色以順時鐘排列。
粉色配色,桃色(品紅色),青色(天藍色),紫色,灰色來代替原本六色中的顏色。
在韩国的比赛中,一般采用黑黄,蓝绿,红橙的配色标准。
三階魔方由1個中心軸/核心球、6個中心塊、12個邊塊及8個角塊構成,當它們組合在一起的時候每個零件會互相牽制不會散開,並且任何一面都可水平轉動而不影響到其他方塊。三階魔方的結構不只一種,例如空心魔方。中国的一些魔方玩家,尝试对三阶魔方结构进行修改,形成适合竞速的魔方,这些修改包括对摩擦面接触方式、尺寸、重量、材质、颜色、边角处理、弹簧弹力等等的修改,这些修改都很成功,并且受到了世界魔方顶尖选手的青睐。不过这些魔方在中国以外的地区,依然会面对三阶魔方结构专利权的问题。以下是一般魔方的結構。
中心塊與中心軸連接在一起,但可以順著軸的方向自由地轉動。
中心塊的表面為正方形,結構略呈長方體,但長方體內側並非平面,另外中心還有一個圓柱體連接至中心軸。
從側面看,中心塊的內側會有一個圓弧狀的凹槽,組合後,中心塊和邊塊上的凹槽可組成一個圓形[11]。旋轉時,邊塊和角塊會沿著凹槽滑動。
邊塊的表面是兩個正方形,結構類似一個長方體從立方體的一個邊凸出來,這樣的結構可以讓邊塊嵌在兩個中心塊之間。
長方體表面上的弧度與中心塊上的弧度相同,可以沿著滑動。立方體的內側有缺角,組合後,中心塊和邊塊上的凹槽可組成一個圓形。旋轉時,邊塊和角塊會沿著凹槽滑動。另外,這個缺角還被用來固定角塊。
角塊的表面是三個正方形,結構類似一個小立方體從立方體的一個邊凸出來,這樣的結構可以讓角塊嵌在三個邊塊之間。
與邊塊相同,小立方體的表面一樣有弧度,可以讓角塊沿著凹槽旋轉。
為了記錄下復原、轉亂的過程或公式的步驟,會用Singmaster符號來書寫(由David Singmaster發明)[12]。書寫方式如下:
若要更加詳細紀錄整個過程,還會使用以下符號:
魔方家族的成員有很多,以下用中心軸的數量分布來分類。若每個中心軸都是等價的(即對稱性較高),則軸的數量有可能是4、6、8、12、20、32,因為正多面體具有高度的對稱性,不同的軸數則對應到不同的正多面體,在這之中四軸、六軸和十二軸又較為常見。另外也有些魔方的中心軸不等價,例如Square 1。以下列出的是較常見的魔方。
這一類魔方具有四個等價的中心軸,其中較常見的是鑽石魔方、金字塔魔方。
原名Skewb Diamond,是一種具有八面體結構的魔術方塊。一共有8個面塊及6個角塊,每一次移動可以旋轉4個面塊及3個角塊120°或-120°,與斜轉方塊、終極斜方具有相似的結構。
鑽石魔方的中心塊 = 斜轉方塊的角塊 = 終極斜方的小塊。
鑽石魔方的角塊 = 斜轉方塊的中心塊 = 終極斜方的大塊[14]。
钻石魔方还有许多其他不同的变化形态,还原的方法也不尽相同。
金字塔魔術方塊(Pyraminx)是一種四面體魔術方塊,由德国科学家麦菲特Uwe Meffert教授于1970年发明。有四個外角塊、四個內角塊和六個邊塊。通過旋轉可以改變其顏色排列。軸旋轉塊可以旋轉後而狀態不改變。6個邊塊則可以自由旋轉。而四個頂塊可以獨立於其他塊進行自我旋轉。 作为最简单的异形魔方,金字塔魔方的还原是多种多样的。对于初学者来说,使用层先法较易还原。方法就是先还原魔方的四面中心块,再一面面复原。
這一類魔方具有六個等價的中心軸,其中較常見的是n×n×n的魔術方塊,但外型不一定會做成立方體,例如:七階魔方。實際上,七階以上的魔術方塊是無法做成每小塊同大小的立方體的。
二階魔方的英文官方名字叫做Pocket Rubik's Cube或Mini Cube,中文直譯叫做「口袋魔方」、「迷你魔方」。與Pyramorphix(英语:Pyramorphix)具有相似的結構。
Pyramorphix雖然有4個面塊和4個角塊,但每塊都和二階魔方一樣是等價的,每一次移動可以旋轉2個面塊及2個角塊±90°或180°。Pyramorphix與二階魔方的關係類似立方體和正三角形的關係[15]。
即一般的魔術方塊。另外有魔粽(Master Pyramorphix)等變形。
四階魔方的英文官方名字最初稱作為Sebestény Cube,後來在生產前最終定名為Rubik's Revenge,直譯過來是「魔方的復仇」。
五階魔方的英文名字叫做Professor's Cube,直譯過來是「專家(玩)的魔方」,也說明了它的難度。另外希臘的V-Cube公司也製造了不同結構的五階魔方,英文名字叫做V-Cube 5[16]。
六階魔術方塊首先由希臘的V-Cube公司量產[16],v-cube公司的產品未能妥善解決隠藏中層定位的問題,容易卡死。第一款能正常工作的六階魔術方塊由中国的圣手公司量產,以台灣玩家xb27發明的結構解決隠藏中層定位的問題。現時所有量產形6階的棱塊大部分不是正方,加強結構強度。
七階魔術方塊首先由希臘V-Cube公司量產[16]。方塊本身為圓弧型。第一款方形七階由中国圣手公司生產,棱塊是長方形。
八阶到十一阶魔方由希腊的V-Cube公司提出第一個设计概念。該概念在八阶(包括六阶)等偶数阶魔方均采用的是相应高一阶的奇数阶魔方的结构,通过隐藏中心层来实现,但未能妥善解決隐藏中心层的走位。因此用V-Cube设计的偶数阶魔方即使制造出来,其手感并不好,容易卡死和飞块(POP)。其後出現的設計有双層卡腳甚至三层卡脚,大幅加強穏定性。也出現了"加針"和"隐藏二階"等方法來解決中層走位
數學上七阶以上的魔方已经无法做成梭、角、心块均匀的正方体。因为阶数过高会导致角上的块完全悬挂于魔方之外而难以固定。因此理论上,角块要做的非常大,边块做成长方形,而中心块则是非常小的正方形,有廠家把以这方法做出了方形的8階。由於六階角塊跟主体的連接處不能太小,不然結構強度不足,所有量產方形六階梭塊都是長方形的。部份廠家把高阶魔方做成面包形,减轻了魔方块的大小在视觉上的差异,方便手持。
八阶魔術方塊由中国圣手公司設計,已量產上巿。
九阶魔術方塊中国于2009年12月8日产出首批,现已上市销售。
十阶魔術方塊由中国圣手公司設計,已量產上巿。
十一阶魔術方塊大约于2010年1月在中国国内上市销售。
十三阶魔術方塊由中国永骏公司设计,大约于2014年1月在中国国内上市销售。
目前阶数最高实物魔方是十七阶,于2011年1月由Oskar van Deventer设计并制造,并已在3D打印网站Shapeways.com上以2000美元销售[17]。第一隻3d打印的十七阶用的是宝塔式的設計,由大三階卡著五階,再由五階卡著九階,再卡著十七階,做出來后跟本轉不動,原因是磨擦力太大,部份塊太小,用力推時会把塊推出來,而非整層轉動。其后的設計改為"牙齒"式,每塊都有相當長的根部傳力,實物可以實際操作。
另外,在電腦中沒有結構的限制,二十階甚至一百階的魔術方塊電腦都可以模擬出來。
這一類魔方具有八個等價的中心軸,其中較常見的是Dino Cube、Platypus、Rainbow Cube、BrainTwist(英语:BrainTwist)。
這一類魔方具有十二個等價的中心軸,其中較常見的是五魔術方塊、亞歷山大之星、Pyraminx Crystal、helicopter cube。
亞歷山大之星的原名為Alexander's Star,外型為大十二面體,是亞當·亞歷山大於1982年發明的魔術方塊,於1985年申請美國專利 4,506,891,其結構可視為只有邊塊的五魔術方塊。
五魔術方塊的原名為Megaminx。是一種十二面體魔術方塊,總共有50塊可以移動的部分,一共有六或十二種顏色,因為有些五魔術方塊會把相對的面塗上相同的顏色。
與一般的魔術方塊一樣,可以增加層數,目前最高階的五魔術方塊是由Andrew Cormier製造並販售,每一個軸有三個地方可以轉動,總共有530塊可以移動的部分[18][19]。
這一類魔方具有十二個以上等價(或不等價)的中心軸,具代表性的例子是Tuttminx,有32軸。
這種比較特別,外型為半正多面體中的截角二十面體,共有32軸,截至2016年,軸數最多的魔術方塊。
這類魔方不具有等價的旋轉軸,較常見的是Square 1、Floppy Cube。
Square One又叫做Square1或者SQ1,是由Karel Hrsel和Vojtech Kopsky在1992年共同發明並申請了美國專利 5,193,809。它的難度主要在於上下兩個地面的方塊被切割成了可以轉動30度的小塊,從而可以產生不同于原始方方正正模樣的狀態。
Square 1魔術方塊分為三層。頂層和底層都有風箏塊和三角塊,它們也被稱為角塊和邊塊。整個魔術方塊總共有8個角塊和8個邊塊。相對於層的中間來講,角塊為60度,邊塊寬度為30度。
世界上第一個量產的3階電子魔術方塊,由台灣學樂公司推出由台灣龍華科大邱煌森老師授權生產。使用三色LED顯示及按鍵操作,在每個行列上都有兩個按鍵,使用者經由壓觸按鍵選擇旋轉方向,而LED的顏色變化模擬原機械式魔方的旋轉。因為是微控制器軟體控制,因此使用者可以輕易的恢復原始狀態及設定開始難易程度,E-cube也加入其他遊戲的功能。雖然產品早已量產及販賣,但正式於媒體亮相是在2008年10月30日的台灣教育部舉辦產學展覽會上。
魔方的改造由来已久,其中以美国的Tony Fisher最为著名,中国的大烟头等玩家也对其进行了发扬,但是这是一项难度较大的工程,对魔方需要有很深的认识,否则会毁坏掉魔方,所以,专攻此项的人较少,不过新手还是可以对魔方进行简单改造(比如连体,切割等)
魔方同樣有自己的世界組織世界魔方協會(World Cube Association簡稱WCA),這個協會是被承認的關於魔方的官方組織。它致力於推廣魔方,同時也舉辦各種比賽,並且收錄最好的成績作為官方的世界紀錄。
官方承認的紀錄有:[10]
其中三階多個盲擰(舊)已非官方比賽項目,新式的規則是:一小時內盲擰多少魔術方塊[13]。
即用最短的時間復原一個魔方。一般來說,轉動次數越少復原的速度越快,但相對的需要記憶的公式就越多,現在絕大多數魔術方塊高手使用的解法是CFOP(Fridrich Method)。
又稱作盲眼或蒙眼。規則是先將魔方的顏色記下來,但在復原的過程不能用眼睛觀看魔方。計時是從第一眼看到魔方開始的,也就是說記憶魔方的時間也算在總時間內。如果有方块在转动过程中脱落,也要在蒙眼的条件下装回去。
即以單手轉動魔方進行復原,但可以使用桌面輔助。如果有方塊在轉動過程中脫落,也必須用同一隻手裝回去。
即用腳復原魔術方塊,參賽者可以站立、坐在椅子上或地上。觀察的部分也必須用雙腳完成,其他規則大致與競速玩法相同。
在這此比賽中,參賽者必須在60分鐘內,遞交指定某3x3方塊的解法。以解法的步數長短做為比賽依據。參賽者可以使用紙、筆、三個魔術方塊和貼紙來輔助思考與作答。
計步方式如下:(詳見[13])
規則大致與一般盲擰相同,但必須同時記憶多個魔術方塊,在比賽時必須先告知裁判要復原幾個魔術方塊,平均一顆復原的時間為最多10分鐘。舊式規則沒有限定總時間,新式規則限定所有的復原必須在一小時內完成(記憶的時間算在內)。
截至2017年6月29日的世界紀錄:[10]
項目 | 紀錄 | 保持者 | 國籍 | 比賽 |
---|---|---|---|---|
競速(單次) | 4.73秒 | Feliks Zemdegs | 澳洲 | POPS Open 2016 |
競速(平均) | 5.97秒 | Feliks Zemdegs | 澳洲 | Latin America Cubing Tour - Chía |
盲擰(單次) | 18.31秒 | Gianfranco Huanqui | 秘魯 | Latin America Cubing Tour - Lima |
盲擰(平均) | 22.67秒 | Ishaan Agrawal | 美國 | 6.25 Bay Area 2017 |
單手解(單次) | 6.88秒 | Feliks Zemdegs | 澳洲 | Canberra Autumn 2015 |
單手解(平均) | 10.59秒 | Max Park | 美國 | 2FTI San Diego 2016 |
最少步數(單次) | 19.00步 | Tim Wong | 美國 | Irvine Fall 2015 |
最少步數(單次) | 19.00步 | Marcel Peters | 德國 | Cubelonia 2016 |
最少步數 ( 單次 ) | 19.00步 | Vladislav Ushakov | 比利時 | PSU Open 2016 |
最少步數(平均) | 24.33步 | Marcel Peters | 德國 | Schwandorf Open 2016 |
腳解(單次) | 20.57秒 | Jakub Kipa | 波蘭 | Radomsko Cube Theory 2015 |
腳解(平均) | 28.16秒 | Jakub Kipa | 波蘭 | SESC Santos 2015 |
多個盲擰 | 54分14秒復原41個中的41個 | Marcin Kowalczyk | 波蘭 | SLS Swierklany 2013 |
三階魔方的總變化數是:
三階魔方總變化數的算式是這樣得來:
也就是說,拆散魔術方塊再隨意組合,有11/12的機率無法恢復原狀。(角塊或邊塊被單獨翻轉)
對於一個拆散又再隨意組合的魔術方塊,總變化數則是:
某些魔方在各个面的图案具有方向性,考虑到6个中心块各有4种朝向,但不能仅仅将一个中心块旋转90度,這時總变化数目还要再乘以46/2。此时结果为:
所有的三階魔術方塊都可以在有限步數內復原,1982年,佛雷與辛馬斯特合著的《魔術方塊手冊》定義任意的三階魔術方塊都可以保證最少n步復原,並稱呼n為上帝的數字(God's number(英语:God's number))。在此書中,證明上帝的數字介於17~52之間。
1995年,瑞德證明上帝的數字介於20-29之間。2006年,雷杜用群論證明上界可改進為27。
2007年,電腦科學家古柏曼與他的學生用20台超級電腦花了8000個小時證明上界可改進為26。
2008年,Tomas Rokicki宣布证明了任何魔方可以在25步以内解开[23]。之後又改进为22步。
2010年,包括Tomas Rokicki和Morley Davidson等人的研究团队证明任意组合的魔方可以在20步内还原,现在上帝的數字正式定为20[24][25]。
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