История этой игрушки интересна тем, что её изобрел, запатентовал в 1977 году и затем наладил производство венгерский не механик, инженер или ученый, а преподаватель промышленного дизайна и архитектуры Эрно Рубик. Впоследствии он стал первым официальным миллионером социалистических стран Восточного блока, распавшегося через 4 года. Своей целью изобретатель не ставил создание новой игрушки или сувенира, с помощью необычной головоломки он полагал повысить у студентов способность к пространственному воображению, необходимому при изучении так называемой «теории групп».
Эта весьма непростая математическая теория представляет собой один из разделов общей алгебры, и разработал ее в первой половине XIX века Эварист Галуа. Он нашел метод математического описания симметричных объектов. Под такими объектами понимаются не только сугубо математические абстракции, но и вполне материальные структуры - от молекул и кристаллов до замысловатых раковин, совершенных архитектурных сооружений и даже спиральных галактик. Теория групп продолжает интенсивно изучаться и развиваться благодаря тому, что ее приложения оказались весьма продуктивными и востребованными во многих направлениях современной науки и техники, например в кристаллографии, архитектуре, компьютерной графике и др.
Интересен механизм игрушки, который многократно усовершенствовался и сегодня существует множество его вариаций. В середине игрушки расположена крестовина из трех маленьких цилиндров, пересекающихся под прямыми углами в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. К концам крестовины, с помощью подпружиненных винтиков, крепятся шесть фигурных деталей, которые представляют собой как бы половинки кубиков с одной из граней в виде вогнутой сферы. Противоположная грань у каждого 6-ти таких полу-кубиков имеет свой цвет. Восемь кубиков выполнены с выступами, которые не видны снаружи и пружинисто соприкасаются еще с одним центральным полу-кубиком на оси. Эти восемь кубиков внутри игрушки образуют своими выступами многоугольник, близкий к сфере. Поскольку все детали игрушки сжаты пружиной не слишком сильно, при небольшом усилии они могут смещаться по сферической поверхности. Перемещая таким образом детали игрушки и меняя сочетания цветов отдельных граней, можно получить невообразимо большое количество вариаций: 43252 003 274 489 856 000, или более 43 квинтиллионов комбинаций. Причем доказано, что из любой такой комбинации привести игрушку к исходному состоянию с 6-тью гранями, окрашенными в один цвет можно всего за 20 поворотов.
Любопытен тот факт, что природа не наделила ни одно из живых существ органом или частью тела, способной совершать вращательное движение вокруг неподвижной оси. Конечно, рука человека или хвост животного способны описывать круги, но и в том, и в другом случае в суставе нет вращения, а происходит только шарнирный поворот. Механизмы, в которых присутствуют вращающиеся элементы, появились только тогда, когда их сумел изобрести человек и первыми из них, были повозки на колесах, мельничные жернова и гончарные круги. Практически одновременно с их изобретением возникла задача регулировки скорости вращения, и преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот.
Решающую роль в решении этой задачи сыграло изобретение шестерней, которые появились в Древнем Египте и передавали вращение от водяного колеса в системах орошения. Первые шестерни представляли собой деревянные колеса с цилиндрическими выемками и штырям на ободах, немногим позже шестерни начинают изготавливать уже из металла. В Античные времена был изобретен кривошипно-шатунный механизм, который широко применялся в качестве привода от вращающегося водяного колеса и преобразовывал вращение возвратно-поступательное движение необходимое при распиловке бревен. Тогда же вращательное движение повсеместно используется в лучковых сверлильных механизмах и примитивных токарных станках с лучковым или ножным приводом
В средние века начинают вращаться ветряные мельницы - изобретен прообраз современного пропеллера, до недавнего времени основного авиационного движителя. Опять-таки следует обратить внимание на то, что ни одно творение природы не использует для полета элементов, вращающихся на оси, хотя некоторые семена растений и вращаются в полете.
С совершенствованием и усложнением механизмов актуальной становится задача изменения направления вращения под произвольным углом и появляется карданная передача. Бурное развитие механизации в заводских цехах эпохи промышленной революции приводит к повсеместному применению паровых машин. Простые и надежные ременные передачи повсеместно используются для передачи вращения и управления его скоростью. Позднее им на смену придут коленные валы, конические фрикционы и шестеренчатые редукторы - цилиндрические, конические, червячные и планетарные.
Сегодня существуют и до определенной степени малоизвестные или применяющиеся весьма ограниченно механизмы вращения. Так относительно редко сегодня можно встретить гибкий вал и кулачковый механизм, шарниры равных угловых скоростей или цепную передачу.
Пожалуй главным, необходимым и самым распространенным элементом любого механизма с вращающимися на оси деталями являются подшипники - механические узлы способные обеспечивать многократный поворот какой-либо оси на 360 градусов в неподвижной опоре. Основной задачей любого подшипника является снижение сопротивления вращающему моменту за счет уменьшения силы трения, а также как следствие, уменьшение степени износа трущихся деталей. Разновидностей подшипников существует очень много, но основных типов всего пять:
- подшипники трения,
- подшипники качения,
- магнитная подвеска,
- гидравлические подшипники,
- пневматические подшипники.
Самые простые по конструкции, конечно, подшипники скольжения, где силу трения снижает смазка или специальный вкладыш из антифрикционного материала. Их главным преимуществом является возможность воспринимать большие нагрузки и малые радиальные биения, а недостаток обусловлен быстрым износом.
Подшипники качения разделяются по типу тел вращения, находящихся между подвижной и неподвижной обоймами. Передавать вращение кроме шариков могут цилиндры и конусы. Эти подшипники хороши тем, что при соответствующем выборе конструкции они могут воспринимать значительные усилия, направленные вдоль оси вращения и то, что их размеры могут быть достаточно велики. Недостатком подшипников качения является высокая чувствительность к вибрациям и ударным нагрузкам.
Главной особенностью магнитных подшипников является отсутствие непосредственного контакта между вращающимся валом и опорами, зазор между ними образуется за счет магнитной силы отталкивания. Существуют две принципиальных схемы - активные и пассивные. В активных магнитных подшипниках ротор изготавливается из стального сплава с большой магнитной проницаемостью, в нем наводятся вихревые токи от электромагнитных катушек сложной формы, размещенных в статоре. Для того чтобы силы электромагнитного взаимодействия позволяли сохранять постоянный зазор между ротором и статором электромагниты последнего подключаются к автоматическим системам контроля и управления. Такие системы являются весьма дорогостоящими, и это ограничивает область применения. Пассивные магнитные подшипники предполагает использование постоянных магнитов, как в роторе, так и в статоре. Безусловно, у таких подшипников просматриваются большие перспективы, но пока в этом направлении ведутся только исследовательские работы без сколь либо значимых практических результатов.
Гидравлические подшипники, по сути, являются подшипниками скольжения с увеличенным слоем жидкой смазки, которая подается принудительно с помощью компрессоров и увлекается в зазор за счет геометрии вращающегося вала. В пневматических подшипниках вместо жидкости роль смазки играет сжатый газ. Недостатком таких подшипников является необходимость герметизации, что усложняет конструкцию и обслуживание. Однако у них есть и существенные преимущества перед другими видами подшипников - чрезвычайно низкое трение, отсутствие вибраций и очень долгий срок службы.