18.6 中世纪后期：运动的转换
中世纪的人几乎没有对从古代继承下来的机械进行根本性的改进，尽管他们将这种原始的机械化发展到了极致。如果对他们忽略了显而易见的技术改进感到惊讶，那么我们需要记住的是，中世纪同古代一样在机器建造中碰到同样重大的困难，那就是合适原材料的匮乏。大多数的机械仍用木材制造，然而木材的硬度太小，并且不抗磨损。
中世纪工匠用来切割和加工木材的工具也非常不合适，但在某种意义上，几种有价值的工具有必要重新介绍。刨子在古代就已经出现了（图206P），不过显然逐渐变少或被人遗忘，尽管它在需要组装在一起的工作部件中是不可缺少的。似乎在12世纪，刨子重新出现，加兰的约翰（John of Garland）在1220年左右提到了它，12世纪末在巴塞罗那附近的赫罗纳和圣库加特，两件加泰罗尼亚的雕塑也描绘了它。到了13世纪，刨子的出现已经确凿无疑，并且从这时起被详细地描绘出来（图358、图579）。中世纪钢加工技术的进步，无疑是要归功于工具的改善。
然而，直到中世纪结束，主要的机械设备都没有得到改善。建筑中的起重设备和古罗马遗迹中的一模一样，中世纪绘画中的踏车机械和罗马时期没有什么不同。除了华丽的天主教堂和少数几个巨大的公共建筑以外，中世纪规模宏伟的建筑无疑要比罗马时期少得多，没有巨大的引水沟渠，没有剧院，没有相当数量的重要桥梁。尽管中世纪后期的少数房子是用石头建造的（边码446），但城市中的房子还是用木材在压实的地面上建造，不需要多少劳动力和机械。即使是在建造教堂的过程中，也很少用到脚手架，建筑物本身就提供或支撑了施工平台（图347）。大多数时候，简单的绞盘和踏车加绞盘是表现建造房屋的绘图中唯一的机械装置（图580），尽管旋臂起重机很早就出现了（图600B）。
图579 木匠正在使用刨子。图中还有凿子、框锯和成品。注意约束刨子的挡块，以及安装在刨子施力端的手柄，与现在用法一样。出自孟德尔（Mendel）的《兄弟之书》（Brüderbuch），纽伦堡。
约1404年。
独轮手推车是中世纪一个便于搬运泥土的特殊工具，例如在挖掘地基时使用。它比装土的篮子更易于操作，虽然容积不会比篮子更大。一个人推独轮车行进的速度，显然会比抬着装相同重量泥土的篮子行进快很多，这是独轮车的主要优势。第一幅独轮车的图画出现在13世纪（图580），但是很久以前就在中国使用（表格，边码770），简洁的结构设计可能来自伊斯兰或者拜占庭。
图580 按部就班的建筑施工。（由左到右）建筑工头和皇家资助人；由坡道用搬运斗将石头抬到高处；独轮车；墙的垂直面；简单的起重机；工作中的石匠；在墙的一面测量垂直度；在脚手架柱子上用锥子钻孔。摘自13世纪中期的一部手稿。
机械化是以直接使用特定的动力为条件的。除了人力以外，古代人只掌握并使用踏车来提供连续不断的旋转运动。在中世纪广泛应用于磨制谷物的水力机械，就是与踏车相同的一种动力，踏车和水车可以直接与所有需要作连续旋转运动的机器连在一起。
至于那些铁锤和破碎机，则有可能使用到希罗（边码635）介绍的凸轮轴。凸轮作用在锤子或破碎机的轴上，锤子或破碎机在自身重力的作用下再次下落（图581）。在制革厂、造纸厂和漂洗机中，小铁锤或铜锤就是这样操作的（图187、图553）。后来，凸轮的原理同样应用在冶金业的风箱和重锤上（图554、图582）。在这个装置中，工具的重量足以产生完成工作的往复运动。此外，一个重平衡锤被用来操作投石机（图583，边码724）。
图581 水力驱动的捣击机：沉重的捣锤由轴上的凸轮来抬起。
约1480年。
当工具的重量不能完成整个工作周期时，另一个问题就出现了。锯子就是这种情况，凸轮可以拉动它，但是还需要另一种力完成相反的运动。在中世纪，许多机器为此使用了弹簧的弹力。昂内孔的维拉德（主要活跃于约1250年）设计的机械锯中，返回运动由一个被锯子的前进冲程顶弯了的竿子带来的伸展力来推动（图584）。弹簧机械经常用来将连续的旋转运动转化为往复运动，或者将往复运动转化为连续循环运动。
图582 由凸轮操纵的鼓风机。平衡装置用来打开被凸轮压缩的风箱。约1480年。
图583 带有双平衡锤的投石机。注意侧面的发射装置。出自瓦尔图里奥，1478年。
简单的投石机是由一组人用力拉下杠杆的短臂来操作的。
基于一个非常简单的原理，同样的构思应用在车削木头的车床。一条绳子缠绕在车床卡盘的轴上，绳子连接到一个踏板，踏板被踩动时带动卡盘旋转。为了正常工作，需要让卡盘连续旋转一段时间，然后反向旋转卡盘使得绳子重新缠绕，为下一次踏板的踏动作好准备。实现这样的反向旋转，最简单的方法就是将绳子的两端绑在两个交替操作的踏板上，不过两个踏板只能提供有限的运动幅度。用弹簧使车床的轴旋转复位是更流行的方式。弹簧可以是一个普通的竿子——例如维拉尔的锯子，或者是以各种方式事先准备好的松弛弓形装置。从13世纪的画中，我们可以看到所有这些装置（图585、图586）。
小型机械和机器的小部件也有了一些改进，只是改进很微小。然而，新设备和设计却显示出中世纪的创造精神。这些发明中，最广为人知且最简单的就是手纺车（图168、图587）。纺纱最初用纺锤和拉线棒来完成，转变为使用手纺车的时间模糊不清，甚至第一台手纺车是什么时候出现的问题还在争论。它们的设计可能是在线轴的设计以后，因为线轴已经使用了很长时间。就像在13世纪的沙特尔一样，许多彩色玻璃或者小画像上的手纺车实际上是绕线轴。在西方，提到手纺车的确切时间是13世纪上半叶，清楚地先后出现在施派尔（1280年）和阿布维尔（1288年）的布商行会（Drapers'Guild）条例中。手纺车即使是到了中世纪末也是稀罕的工具，并且一直保持着原始的构造——仅仅是一个安装在旋转轴上的纺锤，几乎没有增加其他任何东西。
图584 昂内孔的维拉德的水力锯草图。约1250年。
图585 13世纪沙特尔大教堂的彩色玻璃窗上显示的旋转运动。
其中包括两个旋转轴：由拴在踏板上的绳子来旋转，踏板可能由上端有弹性的杆来抬起。
图586 在杆车床上车一个木碗。摘自一部14世纪法国的手稿。
图587 用于纺织编罗网用绳子的曲柄旋转机器。
出自一部15世纪法国的手稿。
缠绕丝线的最后操作和用手纺车纺线非常相似。在工业中，机械化的最初出现应归功于这种实践（第6章）。13世纪，意大利重要的机械进步表现在捻丝缠丝方面。这项工作必须在一定程度上由机械来完成，因为它是在水车——也被称为波伦亚水车——中进行的。很难确切地说清楚到底取得了什么进步，我们只是从晚近的作家那里——例如宗卡（1607年）——了解到蚕丝纤维的缠绕方法。可以说，纺织本身几乎没有受到中世纪机械化进一步发展的影响。
中世纪使用的工具乏善可陈，因为从古代到18世纪就没有多少改变。但是，还是有一些专业化工具出现了（第11章）。