18.7 中世纪后期：动力的转换
除了运动的转换以外，另一个麻烦问题就是动力的转换。如何实现力或速度的增大或减小，使它达到需要的程度？古代人留给了中世纪一个富有成效的奇妙工具——齿轮组。从帕普斯（约300年）时期起，人们就知道了计算齿轮组速率的方法，当然齿轮组主要用来提高旋转速度，相应的动力就要减小。
在特定设备的帮助下，中世纪已经能够对速度和力进行适当的控制。锻造用的水力锤就是一个很好的例子（图554），通过调整为桨轮供水的水闸的开放宽度，第一次对锤子的打击力量作出了校准。这种操作受到水闸最大流量的限制，如果操作者对水的源头无法控制，操作便无用处了。一个附加的系统投入了使用，就是在驱动轴上用楔子安装一种环形物——它上面安装了原来装在锤轴上的凸轮。每一个锤子上可以安装各种带有不同数目凸轮的环状物，我们只需要改变装在锤轴上的环状物就可以得到不同的打击力量。这比较容易实现，因为环状物不是固定在驱动轴上的，而是用楔子安装上的。
要发明增加动力降低速度的设备就更加困难了。最初的这种设备是直接将杠杆原理应用在绞盘上，通过增加辘轳上杠杆臂的相对长度来实现，用来抬起大石块（图588）。在水平绞盘的周围刻上凹槽，里面安装防止倒转的棘齿，绞盘由装在枢轴上并压在这些凹槽内且与之啮合的杠杆来转动。当杠杆反向运动时，它能向后滑到准备好的凹槽中的棘齿里。操作者可以将他的体重都压在杠杆上，甚至用双手拉着梯子来帮助操控。另一个棘齿可以防止绞盘放松。有时，用一块厚木板将两个杠杆臂的末端连在一起，木板上可容纳几个人，这在很大程度上增加了有效动力。
图588 运用摆动杆和棘齿举起重物的中世纪绞盘的复制品。
古代滑轮组发明之后，人们就知道用滑轮来增大力量（边码658），但滑轮在中世纪只有简单的应用。用螺旋来降低速度的方法可能是中世纪的一项发明，最早的记载是在僧侣热尔韦（Gervais）的编年史中（约1200年），提到了如何使用抬起重物的螺旋。在19世纪，昂内孔的维拉德描绘了可以抬起特别重的物体的螺旋式起重机（图589）。他对于如此力量的惊讶表明，这种机器在当时并不常见，并且他也只是刚知道。
图589 昂内孔的维拉德的螺旋千斤顶的草图。约1250年。
有了螺旋式起重机和棘齿，就可以用杠杆支架和齿轮或其他方法组成多种手动绞盘。通过多次小幅度重复运动，这些设备就可以抬起非常重的物体。我们没有早于15世纪的小手动绞盘的图片（图349），但是自那时以后，它就被广泛地应用于弯制十字弓（图655C）。
减速齿轮同样应用在榨汁中。在中世纪，螺旋压榨工具几乎完全取代了绞盘压榨设备，螺旋安装在一个通常有10多米长的杠杆的末端（图84）。13世纪勃艮第公爵（Dukes of Burgundy）在武若和舍诺夫葡萄园的压榨设备，是现存著名的实物。虽然雕刻螺线需要相当的技巧，维拉尔没有说明是怎么雕刻的，螺旋压榨设备在法国南部却很早就标准化了。
上述例子表明，转换运动和力量问题的解决方法已经可以满足当时的实际需要。在中世纪，用巨大石块构建的罗马式建筑几乎没有人尝试，值得注意的几个例外包括在约讷省韦兹莱的高台和朗格勒的天主教堂中的高耸石柱。
水力在中世纪得到了很好的使用，人们无疑会考虑到自己磨坊的轮子比邻居家的转得快还是慢。到了14世纪，为适应水流的不同，有3种不同形式的桨轮在使用，分别是下射式水轮、上射式水轮和水平式水轮。一些水轮安装在船上，以便利用河道中央的快速水流，这些无疑是下射式水轮（第17章）。很难判断是否尝试过倾斜一下桨面以取得更高的效率，这一时期的绘画作品还没有细腻到可以确切地显示这一点。
为改善机器的性能，人们肯定做了一些试验性的工作，例如在达·芬奇的笔记中就有许多相关线索。他研究了磨轮的位置、桨的形状和与水流的夹角等问题。了解水力涡轮原理，这个由希罗在古代发明的概念已经被遗忘了。一种特殊的水车房是潮汐水车，它最古老的实例是征服者威廉时代在多佛尔建造的。在威尼斯，也有一个差不多同一历史时期的潮汐水车。在1120—1125年的巴约讷，也有关于其他水车的文字证据。
磨坊内部的机械装置——齿轮、传动轴和变速箱——经过了多个世纪也没有发生变化（图590、图591）。11世纪新的图画显示了这些长寿设备及其特征，他们被搁在一个由铅包裹的木头轴承上的主轴，由一条铁制的皮带固定。在风车中，主轴由很粗的木料构成，大齿轮的每一个齿也都由单独的大块木料构成，小齿轮和梯级齿轮也是木头的。由于几乎没有使用到金属，各种部件特别是齿轮坏得很快。显然，达·芬奇研究了不同啮合角度对齿轮的影响。
图590 制粉机内部结构图，12世纪的一个女修道院长为给修女们讲解而画的草图。
粗轴上的水轮驱动主齿轮，并通过小轮和小轮轴驱动上面的磨石。
图591 一个西班牙圣物箱上描绘的水磨坊。
13世纪后半叶。
中世纪的特征更多地表现为以磨坊为主的一小部分机械的发展，而不是机械化的全面进步（图592）。当时，实现全面的机械化会遇到相当多的社会障碍和技术困难。然而，中世纪取得的进步是不容忽视的，它在古代世界的机械基础上产生了令人瞩目的变化。
有许多因素阻碍着机械化的发展，其中一些因素现在还在起作用。首先是守旧传统对新设备简单的抵制，以及不让新机械进入沿用老工具和老方法的地区的做法，加固了传统的桎梏。对于接受技术的进步，被统治的民众、受压迫的阶级和少数民族以前不愿意，现在同样不愿意。另一种传统的表现是对新工具和用新方法生产出的产品的蔑视，例如1288年阿布维尔的纺织工人和以后几个世纪许多布商行会都拒绝接受用纺车纺出的丝线。布商行会最终作出让步，接受用纺车纺的线，但只能作为经线使用。还有一个类似的例子是对由磨坊漂洗的布匹的拒绝。在北方，生产布匹的城市从一开始就以布匹的质量为理由加以禁止。在其他地方，对磨坊漂洗的禁令是后来才有的，例如1292年在布卢瓦，1403年在诺让勒鲁瓦，1444年在沙特尔。
图592 带有滚筒装置和辅助驱动设备的单柱风车。谷物袋可以从地面抬起。磨坊的风车是由4个木制的框架组成的，上面覆盖着布。出自一部15世纪德国的手稿（另见边码623和图561—563）。
另一方面，新机器常常因为受制于垄断或者被迫接受额外的税金而招致反对。新磨坊要建在封建庄园内，其领主的权利通常都受到很好的保护，其他许多面粉磨坊、炼铁作坊、大麦磨坊、制革作坊和漂洗作坊也一样，这会给使用新装置的人增加负担。为避免额外的赋税，人们保留着他们以前的工具和设备，可能还带有继承了他们父辈作业方式的内心满足。