ОБЪЕМНАЯ ИГРА-ГОЛОВОЛОМКА
VOLUME BRAINTEASER

Изобретение относится к логическим объемным играм-головоломкам и может быть использовано для развития логического мышления и пространственного воображения у детей разного возраста.
Известно множество логических игр и головоломок, содержащих различное количество игровых элементов, выполненных в виде кубиков, прямоугольников и средств связи их между собой посредством различных пазов и разъемов в различные геометрические фигуры.
Наиболее известна объемная логическая игра - кубик Рубика, состоящий из игровых элементов кубической формы одинакового размера (единичных кубов), причем каждая боковая сторона (грань) образована четырьмя, девятью, шестнадцатью и т.д. игровыми элементами (кубиками) одного цвета, имеющими специальные зацепления для крепления к крестовине, расположенной в центре кубика, собранного при помощи этих зацеплений, с возможностью вращения в соответствующей плоскости как при предварительной разбивки игровых элементов кубика, так и при их последующей установки в те боковые блоки, цвет которых соответствует окраске данного контрольного элемента.
Кубик Рубика и его модификации защищены патентами во многих странах мира, эти модификации являются либо его усовершенствованием, например патенты WO 83/01203 - внутренняя конструкция основана на сфере и сферических элементах зацепления; WO 2005/079937 и WO 2007/085678 - усовершенствование внешних граней, путем нанесения рисунков или букв; WO 2008/046126 - усовершенствован центральный элемент, исполненный в виде сферы; WO 2007/046056 - программируемое изменение цвета сторон кубика, либо усложнением головоломки Рубика путем увеличения количества слоев, как то 4×4×4, 5×5×5, 6×6×6 и.т.д. патенты: WO/0025874 - шарообразная форма головоломки использует принцип вращения и схожую с изобретением Рубика конструкцию, может усложняться путем добавления слоев от схемы 2×2×2 до 4×4×4; WO 2004/03497 и патент РФ №2320390, где сохранен принцип сечения куба, аналогичный изобретению Рубика и конструкция позволяет усложнить головоломку от схемы 2×2×2 до N×N×N, не меняя самого принципа деления и вращения сегментов куба, изобретенных Рубиком.
Общим недостатком головоломок - аналогов кубика Рубика - является то, что они разделены на сегменты плоскостями, параллельными граням головоломки. Это происходит потому, что человеку свойственно делить предметы параллельными плоскостями на подобные, так, большой кубик делится на маленькие или большая пирамида делится на более мелкие. Это ограничивает объемное воображение детей.
С повышением слойности кубика Рубика повышается сложность сборки головоломок, особенно для детей, но не увеличивается интерес к самой игре.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является объемная головоломка, которая может быть использована для игры и обучения посредством игры и содержит крепежное устройство с закрепленными на нем игровыми элементами, имеющими возможность вращаться вокруг центра головоломки и относительно друг друга (патент РФ №2113264). Она имеет шесть граней, образуемых наружными поверхностями игровых элементов, каждая из которых окрашена в свой цвет. Дополнительно головоломка содержит сферические накладки, жестко закрепленные на осях крепежного устройства, наполнительные и подпружиненные несущие элементы с пазами и неподвижный игровой элемент, на котором жестко закреплены наполнительные элементы и один несущий элемент. Все игровые элементы выполнены в форме неправильных треугольных пирамид с возможностью попеременного вращения в шести пересекающихся в центре головоломки плоскостях и имеют на своих боковых поверхностях пазы с кромками, ограниченные треугольными сферическими накладками, которыми усечена вершина каждого игрового элемента. Подпружиненные несущие элементы одновременно находятся в образованных сферическими накладками направляющих крепежного устройства с возможностью перемещения по ним и в пазах двух соседних игровых элементов, соприкасающихся гипотенузами оснований. Наполнительные элементы расположены в боковых пазах игровых элементов, свободных от подпружиненных несущих элементов, для перемещения игровых элементов вдоль пазов подпружиненных несущих элементов и наполнительных элементов.
В указанном патенте плоскости деления куба перпендикулярны его граням, проходят через центр головоломки, а также две его диагонали и два ребра, позволяя вращать одну его половину (треугольную призму) относительно другой. При таком повороте есть всего два фиксированных положения - исходное и противоположное исходному.
Наличие дополнительных сферических накладок, жестко закрепленных на осях крепежного устройства, и наполнительных элементов усложняют конструкцию головоломки и процесс ее монтажа.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание игрового устройства с максимальным количеством плоскостей вращения, не параллельных и не перпендикулярных граням куба, состоящего из правильных геометрических фигур, вписанных в куб, но не тождественных кубу, причем конструкция головоломки упрощается, позволяя собрать ее детям различного возраста, с одновременным повышением ее занимательности для них.
Технический результат достигается за счет того, что в известную объемную игру-головоломку, имеющую форму куба, содержащую крепежные устройства с закрепленными на них игровыми элементами, выполненными в форме пирамид, с возможностью попеременного вращения вокруг центра головоломки и относительно друг друга, шесть граней, образуемых наружными поверхностями игровых элементов, каждая из которых окрашена в свой цвет, и наполнительные элементы, внесены изменения, а именно:
- центр головоломки выполнен в форме октаэдра, грани которого являются несущими поверхностями для крепления пирамид,
- каждая пирамида состоит четырех подвижных игровых элементов - один тетраэдр и три равные неправильные пирамиды;
- крепежные и наполнительные элементы для крепления игровых элементов между собой и к октаэдру размещены на соприкасающихся плоскостях граней октаэдра и игровых элементов, причем крепежные элементы выполнены таким образом, чтобы сопряженные поверхности игровых элементов могли смещаться относительно друг друга;
- крепежные элементы могут быть выполнены в виде: Г-образных направляющих, подпружиненных винтовых или шариковых элементов, постоянных магнитиков или иного вида крепления, позволяющего смещение смежных поверхностей игровых элементов относительно друг друга при осуществлении вращения пирамиды.
Кроме того, ребра октаэдра образованы путем соединения отрезками точек пересечений диагоналей и сторон куба, а размер ребра октаэдра зависит от размера стороны куба и определяется из соотношения с=а/√2, где а - сторона куба, а с - размер ребра октаэдра.
Собранная головоломка представляет из себя цельный куб, состоящий из центра и 20 игровых элементов, причем каждой грани куба соответствует определенный цвет. Путем произвольного вращения пирамид, 12 подвижных игровых элементов (неправильных пирамид) могут перемещаться относительно друг друга, и грани куба меняют цвета.
Вершины пирамид, образованных группами из четырех игровых элементов, совпадают с вершинами куба. Всего таких пирамид, как и вершин куба, 8. Каждая из пирамид может вращаться вокруг оси, проходящей через ее вершину и перпендикулярной ее основанию. При этом вращающийся вокруг оси тетраэдр перемещает три подвижных игровых элемента (неправильные пирамиды), смежных с его гранями. Каждые две пирамиды, вершины которых являются наиболее близкими вершинами куба, имеют один общий подвижный игровой элемент.
Особенность куба - отсутствие на гранях неподвижных элементов, а также содержание в каждом подвижном игровом элементе лишь двух цветов. Это усложняет процесс сборки головоломки, поскольку в отличие от кубиков Рубика дает меньше информации о взаимном соотношении цветов на гранях куба и требует логического вычисления (при условии, если нет рисунка кубика в сборе).
Ниже в таблице приведены некоторые отличия предлагаемого изобретения от кубика Рубика, т.е. от аналогов и прототипа.
Видимые подвижные элементы/неподвижные элементы
Плоскости вращения
Количество подвижных элементов на одной грани куба
Количество подвижных элементов, перемещаемых в группе/геометрическая форма группы
Количество фиксированных положений при повороте группы
Кубик Рубика
20/6
6 - параллельных и перпендикулярных граням
8
8/параллелограмм
4
Прототип Патент РФ №-2113264
12/нет
6 - перпендикулярных граням
4
6/треугольная призма
2
Предлагаемое изобретение
12/нет
8 - непараллельных и неперпендикулярных граням
4
3/пирамида
3
По сравнению с изобретением Рубика и его аналогами головоломка более сложна в трехмерном восприятии, что позволяет развивать ребенку пространственное мышление (8 непараллельных и неперпендикулярных граням плоскостей вращения).
1
4
В предлагаемой головоломке плоскости сечения, образующие игровые элементы, проходят через три соединяющихся диагонали куба и не пересекаются в одной точке, позволяя вращать попеременно сегменты куба, являющиеся лишь его малой частью (чуть больше / объема), и представляющие из себя пирамиды. Каждая пирамида имеет три фиксированных позиции вращения. Как принцип вращения, так и конструкция, а также и алгоритм сборки сравниваемых игрушек полностью отличаются, причем сложность алгоритмов сборки и количество элементов головоломки соответственно уменьшается. Эта особенность позволяет надеяться, что для детей головоломка будет более интересной, поскольку дает возможность совершить сборку собственными силами, не прибегая к помощи взрослых и дополнительным источникам информации.
Простота сегментов головоломки, из которых она состоит, и «естественность» принципа ее вращения обуславливают простоту и многообразие применимых конструкций для ее изготовления.
Возможно исключение октаэдра из конструкции головоломки и замена его осями вращения. В этом случае головоломка будет иметь 8 осей вращения, каждая из которых проходит через центр куба и одну из его вершин, при этом каждые две оси симетричны относительно центра головоломки и совпадают в пространстве, лежа на четырех прямых, пересекающихся в одной точке (аналог изобретения по патенту WO 2004/10349, фиг.11, 12).
Однако это приводит к усложнению конструкции и снижает технологичность изготовления головоломки.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 представлена головоломка в виде изометрии куба; на фиг.2 и 3 показаны моменты вращения игровых элементов (пирамид) по часовой стрелке, причем на фиг.3 после шести произвольных поворотов пирамид; на фиг.4 показан центральный (базовый) элемент головоломки - октаэдр; на фиг.5 и 6 - игровые элементы головоломки в изометрии и виды сверху, сбоку; спереди; снизу; на фиг.7 показаны элементы головоломки в разобранном виде (без узлов их крепления); на фиг.8 - приведены конструкции игровых элементов - тетраэдров - с Г-образными пазами; на фиг.9 показан вариант крепления игрового элемента к граням октаэдра посредством подпружиненного винта; на фиг.10 приведено расположение Г-образных направляющих на подвижных игровых элементах и соотношение (разрез) ширины направляющей (X) и ширины паза (У) для их крепежа; на фиг.11 показано расположение проточек на гранях октаэдра для обеспечения подвижности игровых элементов; на фиг.12 - границы радиуса R вращения игровых элементов (R2<R<R1), которые позволяют скрыть все крепежные детали; на фиг.13 показан октаэдр с прикрепленными тетраэдрами.
Головоломка представляет объемную игрушку в виде куба (фиг.1) и состоит из трех основных типов игровых элементов, размеры которых взаимозависимы и могут быть вычислены из стороны куба, равной «а».
Базовым центром конструкции головоломки является октаэдр (фиг.4) с ребром, равным «с». Величина его определяется из соотношения: с=а/√2.
Головоломка включает также восемь основных игровых элементов - тетраэдров с ребром «с» и двенадцать подвижных игровых элементов - неправильных пирамид (фиг.6).
Тетраэдры крепятся к соответствующим граням октаэдра таким образом, чтобы одна из граней тетраэдра совпадала с гранью октаэдра и при этом тетраэдр мог вращаться в плоскости грани октаэдра вокруг оси, перпендикулярной основанию тетраэдра и проходящей через его вершину. Как видно из фиг.7, все восемь тетраэдров могут свободно вращаться вокруг своих осей. К каждому из тетраэдров примыкают три игровых элемента, (неправильные пирамиды), дополняя полученный многоугольник до куба.
Неправильные пирамиды (фиг.6) должны крепиться к свободным плоскостям тетраэдров таким образом, чтобы позволять им вращаться. Неправильные пирамиды в зависимости от назначения игрушки могут крепиться к тетраэдрам различным образом - основное условие - это возможность их перемещения по кубу при вращении тетраэдров.
В качестве примера неразъемного соединения приводится вариант с Г-образными пазами на тетраэдрах и Г-образными направляющими на неправильных пирамидах. При этом все фигуры претерпевают изменения, позволяющие использовать указанный способ фиксации, причем должно быть соблюдено условие, что радиус дуг R Г-образных пазов и направляющих должен быть меньше R1, но больше, чем R2 (фиг.12). Данное условие позволяет скрыть на внешних сторонах куба какие-либо элементы направляющих или пазов.
Таким образом, тетраэдр с Г-образными пазами имеет вид, приведенный на фиг.8, а неправильные пирамиды с Г-образными направляющими - на фиг.10. Из фиг.9 видно, что на основании также предусмотрены три выступа, играющие роль фиксаторов и имеющие ответные части на грани базового элемента (октаэдра). Помимо этого, для крепления тетраэдра к граням октаэдра подпружиненным винтом в нем предусмотрена съемная крышка и ниша под винт с пружиной.
Необходимо учесть, что ширина Г-образной направляющей - Х должна быть меньше величины паза Y, что позволит облегчить крепеж подвижных элементов. Крепление осуществляется путем оттягивания вверх по оси вращения подпружиненных тетраэдров и вставления в этот момент направляющих подвижных элементов в пазы. Соотношения размеров Г-образной направляющей и Г-образного паза показаны на фиг.10.
В рассматриваемом варианте конструкция центра головоломки - октаэдра - выглядит следующим образом (фиг.11).
На всех гранях его расположены по три ответных выемки для фиксации вращения игровых элементов - тетраэдров - в трех положениях.
На каждой грани осуществлена проточка тем же радиусом R, что использован для пазов и направляющих, шириной Х и глубиной S. В противном случае грани октаэдра будут препятствовать перемещению направляющей подвижного игрового элемента из паза одного тетраэдра в другой.
В сборе октаэдр с тетраэдрами будет выглядеть, как показано на фиг.13.
В указанном примере конструкции установленные подвижные элементы полностью скроют все конструкционные детали и куб снаружи будет выглядеть целостным, без каких-либо следов пазов или направляющих.
Крепление неправильных пирамид к тетраэдрам может быть выполнено не только указанным способом, т.е. посредством Г-образных элементов, но и другими способами, позволяющими осуществлять вращение тетраэдров и перемещение неправильных пирамид. Так, пазы и направляющие могут иметь Т-образный профиль либо вообще иметь профиль параллелограмма. Пазы могут располагаться на гранях неправильных пирамид, а направляющие - на тетраэдрах. Пазов и направляющих может вообще не быть, а вместо них могут быть использованы другие виды крепления и фиксации, например магниты. Фиксаторы тетраэдров в трех положениях относительно основания (граней октаэдра) могут также быть выполнены различными способами, например подпружиненными шариками, расположенными в соответствующих выемках тетраэдров и октаэдра.
Цель головоломки - привести грани куба вновь к единым цветам после серии произвольных вращений пирамид.
Это достигается путем вращения игровых элементов, как показано на фиг.2-3. Наиболее важным отличием данной головоломки от внешне схожих, в том числе и кубика Рубика, является то, что игровые элементы патентуемой головоломки получены сечениями, не параллельными и не перпендикулярными его граням, что привело к образованию элементов, нетождественных кубу.
Кроме того, к преимуществами предлагаемой объемной игры-головоломки относится:
- относительная простота конструкции посредством уменьшения элементов и исключения сложной конструкции осей вращения игровых элементов;
- относительно меньшая сложность сборки, что дает возможность совершить ее собственными силами, не прибегая к помощи взрослых и дополнительным источникам информации;
- головоломка более сложна в трехмерном восприятии, что позволяет развивать ребенку пространственное мышление;
- вращающиеся группы игровых элементов представляют собой правильные пирамиды, и, как и куб в целом, являются естественными для восприятия ребенка.
В настоящее время изготовлен образец объемной игры-головоломки, и после исследований с детьми разного возраста будет изготовлено несколько опытно - промышленных образцов головоломки.