Lập phương Rubik

 

(Rubik 3x3x3)

Lập phương Rubik (Khối Rubik hay đơn giản là Rubik) là một trò chơi giải đố cơ học được phát minh vào năm 1974 bởi giáo sư kiến trúc, điêu khắc gia ngườiHungary Ernő Rubik. Các tên gọi sai thường gặp của trò chơi này là Rubix, Rubic và Rubick.

Mỗi mặt của phiên bản này có 9 ô vuông và được sơn phủ một trong sáu màu khác nhau, thông thường là trắng, đỏ, vàng, cam, xanh lá cây và xanh dương. Bài toán bắt đầu bằng việc xáo trộn tất cả vị trí các ô vuông ở mỗi mặt, tức là các màu sắc xen kẽ nhau. Bài toán chỉ được giải quyết khi mà mỗi mặt của khối là một màu đồng nhất.

Có thể nói khối Rubik là một trong những loại đồ chơi bán chạy nhất thế giới. Riêng trong năm 2005, đã có khoảng 300.000.000 khối Rubik được bán ra

  


Phân loại:

Các phiên bản Rubik. Từ phải qua và từ dưới lên: Rubik bỏ túi, Rubik tiêu chuẩn, Rubik báo thù, V-Cube 6, Rubik giáo sư và V-Cube 7.

Rubik hiện đại thường làm bằng chất dẻo, có bốn phiên bản chính là: 2×2×2 (“Khối bỏ túi“), 3×3×3 (Khối tiêu chuẩn), 4×4×4 (“Rubik báo thù“) và 5×5×5 (“Rubik giáo sư“). Gần đây các khối lớn hơn đã xuất hiện trên thị trường như khối 6×6×6 và 7×7×7 (V-Cube 6 và V-Cube 7).

Từ khối Rubik tiêu chuẩn, người ta đã tạo ra các khối có dạng hình học khác như tứ diện (Pyraminx), bát diện (Skewb Diamond), khối 12 mặt (Megaminx) và khối 20 mặt (Dogic); hoặc các khối không lập phương như 2×3×4, 3×3×5, 1×2×3. Thậm chí hiện nay với máy tính, người ta đã có thể mô phỏng các khối Rubik trong không gian n chiều mà bình thường không thể tạo ra ngoài thực tế.

(Các phiên bản Rubik)

 


Năm 1970, Larry Nichols tạo ra khối 2×2×2 “Trò chơi với các miếng có thể xoay theo khối”, các khối được liên kết với nhau bằng nam châm và sáng tạo này đã được cấp bằng sáng chế 3 655 201 của Mỹvào ngày 11 tháng 04 năm 1972. 

 Bằng sáng chế được cấp cho Larry D. Nichols  (ngày 11 tháng 4 năm 1972)






Ngày 16 tháng 1 1971, Frank Fox được cấp bằng sáng chế của Anh số 1 344 259 cho “khối 3×3×3 hình cầu”.

Bản tin Rubik của Ideal Toys trong các năm 1982, 1983


Tạm dịch : 

“Lập phương Ma thuật” được Ernő Rubik phát minh vào năm 1974 bằng sự đam mê hình họcvà nghiên cứu những mẫu dạng ba chiều. Rubik được cấp bằng sáng chế của Hungary số HU170062 vào năm 1975 nhưng không đăng ký phát minh này ở các nước khác. Lô hàng đầu tiên được sản xuất vào năm 1977 và được bán ở Budapest. Khối của Rubik được làm bằng cách gắn các mảnh nhựa rời với các khe có thể trượt trên nhau nên rẻ hơn thiết kế bằng nam châm của Nichols. Tháng 9 năm 1979, Ideal Toys ký hợp đồng để mang trò chơi này đến với các nước phương Tây, trò chơi ra mắt ở Luân Đôn, Paris, Nürnberg và New York trong tháng 1 và 2 năm 1980.

 

Magic Cube, nguyên mẫu ban đầu trong tay Ernő Rubik (1974) và một bản sao


Magic Cube, hình từ Bằng sáng chế Hungary cấp cho Ernő Rubik  (ngày 30 tháng 1 năm 1975)




Sau đó ít lâu, nhà sản xuất quyết định đổi tên cho nó. Hai tên “The Gordian Knot” và “Inca Gold” được đề xuất, nhưng cuối cùng công ty quyết định lấy tên “Khối Rubik”, và lô hàng đầu tiên được xuất khẩu từ Hungary vào tháng 5 năm 1980.

 Magic Cube, lô đầu tiên được sản xuất tại Hungary bởi Politechnika  (1977)




Tận dụng sự “cháy hàng” ban đầu của món đồ chơi này, nhiều sự bắt chước xuất hiện. Năm 1984, Larry Nichols thông qua Moleculon Research kiện Ideal Toys vì đã vi phạm bằng sáng chế số US3655201. Vụ kiện thành công với khối 2×2×2 nhưng thất bại với khối 3×3×3.

Một người Nhật tên Terutoshi Ishigi cũng nhận một bằng sáng chế của Nhật cho một cơ chế tương tự Rubik, trong khi bằng sáng chế của Rubik đang được duyệt (bằng sáng chế JP55-0081912 vào năm 1976, năm thứ 55 triều Showa). Vào thời gian này, Nhật cấp bằng sáng chế cho các công nghệ chưa được biết đến ở Nhật[2]. Do đó, phát minh của Ishigi được coi là độc lập với các phát minh trên.

Gần đây, nhà phát minh người Hy Lạp, Panagiotis Verdes đã nhận được bằng sáng chế cho phương thức sản xuất có thể tạo ra các khối Rubik lớn tới 11×11×11. Nó bao gồm những cơ chế cải tiến từ 3×3×3, 4×4×4 và 5×5×5 để có thể xoay nhanh hơn mà không bị vỡ như thiết kế hiện tại. Từ 19 tháng 6 năm 2008, các khối 5×5×5, 6×6×6 và 7×7×7 đã được bày bán trên thị trường. Ngoài ra còn có nhiều loại rubik khác như rubik hình tròn, rubik tam giác, rubik ma thuật, rubik kim cương, rubik đa chiều, v.v…

Các hình dạng không vuông đã đề cập được tạo ra bởi Mèffert’s Puzzles, công ty do Uwe Mèffert sáng lập.

 




Cơ chế


Rubik được tháo rời



Khối Rubik tiêu chuẩn có chiều dài mỗi cạnh 5,7 cm, được tạo thành từ 26 khối nhỏ hơn. Phần giữa của mỗi mặt trong 6 mặt chỉ là một hình vuông gắn với các cơ chế khung làm lõi, đóng vai trò khung sườn cho cách mảnh khác dựa vào và xoay quanh. Khối Rubik có thể được tháo ra dễ dàng, thường bằng cách xoay một mặt 45° và lắc một khối ở cạnh cho tới khi nó rời ra. Tính chất này thường được dùng để “giải” khối Rubik.

Ở các cạnh của khối Rubik, các mảnh có các màu khác nhau ở các mặt. Tuy nhiên không phải mọi tổ hợp màu đều có trên khối; như với khối Rubik tiêu chuẩn, mặt xanh lá đối diện với mặt xanh dương nên sẽ không có cạnh giáp xanh lá và xanh dương.

Trong số 1982 của tờ Scientific American, Douglas Hofstadter đã chỉ ra cách tô màu khối Rubik để làm nổi bật các cạnh thay vì các mặt như cách tô tiêu chuẩn. Tuy nhiên ý tưởng này hiện vẫn chưa được thương mại hóa.



Số hoán vị



Một khối Rubik tiêu chuẩn (3×3×3) có thể có 8! cách sắp xếp các khối ở cạnh, 7 khối có thể được xoay tùy ý vì chiều của khối thứ 8 phụ thuộc 7 khối còn lại; tạo ra 3⁷ hoán vị. Các khối ở cạnh có 12!/2 hoán vị. Xem chiều của 1 khối ở cạnh là cố định, chiều của 11 khối có thể độc lập với nhau; tạo ra 2¹¹ hoán vị. Tổng cộng khối Rubik có:

{8! \times 3^7 \times \frac{12! \times 2^{11}}{2}} \approx 4.33 \times 10^{19}[3]

Tức 43.252.003.274.489.856.000, hay hơn bốn mươi ba tỷ tỷ, hoán vị khác nhau. Nói một cách hình tượng, khi coi mỗi khối Rubik tượng trưng cho một cách hoán vị và xếp liên tiếp các khối Rubik này (có kích thước tiêu chuẩn là 5,7 cm) thành một dãy thì dãy Rubik sẽ kéo dài xấp xỉ 261 năm ánh sáng. Nếu xếp sát nhau tạo thành một bề mặt (cong) thì số Rubik này sẽ phủ kín bề mặt Trái Đất 256 lần.

Con số trên chỉ mới là số các trạng thái có thể đạt tới bằng cách xoay các mặt. Nếu tính cả các trang thái có thể có do tháo rời khối Rubik và lắp lại thì con số lên đến:

{8! \times 3^8 \times 12! \times 2^{12}} \approx 5.19 \times 10^{20}

Hay 519.024.039.293.878.272.000 (519 tỷ tỷ) hoán vị hay 12 lần nhiều hơn. Mỗi hoán vị trong tập lớn hơn này có thể xoay về một trong 12 vị trí khác nhau (gọi là “quỹ đạo”). Lời giải bình thường của khối Rubik chính là một trong 12 vị trí này. Để có một khái niệm sâu hơn, xem thêm lý thuyết nhóm.

Tuy có nhiều khả năng nhưng bài toán thường chỉ được quảng cáo đến mức có “hàng tỷ” vị trí, để giảm áp lực tâm lý cho người chơi. Thực tế, đã có tuyên bố rắng mọi hoán vị có thể giải được của khối Rubik có thể được giải trong 22 bước hoặc ít hơn[4].