18.9　现代机械的首次出现

2025年09月26日

版权

18.9　现代机械的首次出现

第一次中世纪技术革命发生在12世纪和13世纪，14世纪则是技术的适应时期（1338—1453）。在英格兰和法国，损失惨重的百年战争和黑死病（1348—1350）极大地减缓了技术的进步。在15世纪的后半叶，技术进步重新出现并且更具活力。

技术进步的新阶段开始于远离漫长战争的地区。意大利北部、德国南部和莱茵河流域经历了非常迅速的文化革命（cultural evolution），在艺术、文学、科学和技术等方面掀起了一场文艺复兴运动。当时出现了第一批工程师，他们组织并培养了各方面的技术人员，这些技术人员既是建筑师、机械技师，又是军事工程师。

在写给米兰公爵（Duke of Milan）的信中，达·芬奇的自我描述非常符合对有造诣技师的全新定义。他说自己可以建造非常轻的桥梁，能够提供便利的交通，知道如何给护城河排水和建造云梯，也知道如何制造便于运输可以发射易燃物质的轻型加农炮。他会建造狭窄曲折的地下隧道，到达他人无法到达的地方，甚至可以到达河流的下方。他能制造大炮、迫击炮和与当时所使用的火器不同的其他火器，能用当时还没有的弹射器或其他发射武器代替它们。在建筑和沟渠建设方面，他可以与任何人媲美。

这位具有极高天赋的技师自然比他的前辈们前进了很多。他掌握了更多的科学知识，并对他从事的工具改进工作有着更多的理性思考。当时，机械进步需要的是对问题的全面解决方案。在原型系统和可实际运行的工具之间，必然存在着不属于5种简单机械（边码629）中任何一种的机械装置。此外，还有更普遍的问题，例如摩擦力、运动的变换和动力的减少和增加，还有原材料的压力、张力和众多机器的机械化问题。最重要的是，只有在科学采用了实验的方法以后，实实在在的科学问题才有可能解决。所有这些，达·芬奇都在他的笔记中有所涉及。

图593　在由曲柄旋转的磨石上将剑磨锋利。出自《乌得勒支诗篇》，9世纪。

在中世纪就要结束的时期，最重要的机械发明是曲柄和连杆，其中连杆更是以后许多发明的重要条件。在许多机器中都可以看到，连续的旋转运动被转化为往复运动，反之亦然。在中世纪，唯一可以有效完成这种转化的方法必须依靠弹簧（边码644），但这种方法有很多的缺点。

组合曲柄和连杆的发明是受到了另外两种发明的启示。第1种是简单曲柄（图593、图594），它们在古代末期就已经存在，是将手柄和轮子垂直地连接在一起自然发展而成的。第2种是木匠的手摇钻，起源并不清楚（边码230），在加兰的约翰的字典（13世纪）中可能提到了它，但是第一幅图片资料出现在1424年（图595）。另一个较早的例子出现在15世纪康平的作品中（图版12）。

无疑，在很长一段时间内，如何安装活动附件的问题推迟了曲柄和连杆的出现。如果部件是木头的，摩擦就成为一个非常不利的因素。对这种系统最早的描述出现在一部慕尼黑1421—1434年（图596、图597）的德国手稿中。那是一座磨坊，可能用手或用脚驱动，主要部件好像是金属的。到了19世纪，这种磨坊还在德国南部使用。这部手稿的另一幅图画中展示了设计更完善的机器。在15世纪以前，曲柄和连杆的其他例子就非常少了。

达·芬奇对将连续旋转运动转化为往复运动的问题非常感兴趣，这很自然地想到了水泵，拟出了好几种解决方案。第1种是一个上面刻有双螺旋凹槽的圆柱体，把一个与活塞杆连接的销子安装在凹槽中，轴带动圆柱体旋转，从而使销子进行往复运动。第2种设计虽然避开了上述难题，但并未实际解决它。一个飞轮带动着另一个与两个活塞杆连接的齿轮交替旋转，这里并没有运动的转化，只有原始的交替运动的传递。达·芬奇的第3个方案被16世纪所有的机械制造者采用。连续的旋转被传递到一个只有一半外缘有齿的圆盘上，这些齿与安装在一个单轴上的两个滚柱小齿轮[1]相啮合，单轴和这个外缘有齿的圆盘成直角。这两个小齿轮布置在圆盘直径的两端，使得圆盘上的齿与第一个齿轮啮合时，则带动它向某个方向旋转，而当圆盘上有齿的一半转过来与第二个小齿轮啮合时带动它向反方向旋转。两个齿轮所在的轴就这样交替着旋转，将这种运动转化为交替的直线运动就不困难了。达·芬奇的设计中还包括应用在锯子中真正的曲柄和连杆系统，但要想将这一系统应用于实际，还存在着极大的困难，因此，人们宁愿接受差一些但技术上简单的方法。在16世纪，这种使用半个齿轮的灵巧简单的解决方法得到了广泛应用。甚至到了17世纪和18世纪，人们都很少将曲柄和连杆组合起来使用。

图594　曲柄驱动的划桨船（带有浮力柜）。出自一部1335年的手稿。

图595　木匠的工具，包括手摇钻。

1424年由弗兰克（Meister Francke）创作的《心怀十字架》（Bearing the Cinss）的细节部分，是祭坛的一部分。

达·芬奇最具洞察力的想法是试图对基本的机械问题给出合理的解释。在他之前的技师中，没有一个人尝试做类似的工作。除了他在水车方面的研究外（边码648），我们还可以举出其他的例子，但没有一个例子像他对齿轮组的研究那样有特点。他研究了齿轮和小齿轮啮合表面的角度与磨损和摩擦之间的关系，找到了一种可以减少摩擦和磨损的传动方法，发现了不规则传动的基本定律，这一定律在16世纪里被首次应用。

在矿业中，机械化显然已经取得了一定的进步（第1章）。阿格里科拉（边码16起）在1556年描述以前很久，由曲柄和连杆操作的泵肯定就已经存在了。轨道小车在15世纪末第一次出现（边码548）［2］。在15世纪，加工金属的机器得到了很大的改进，首先出现了增大炼炉容积的趋势，以节约矿石并提高可获得金属的数量。这时，靠天然通风已经不能提供足够的空气，巨大的风箱开始使用，并且很快就改由水轮和平衡锤来驱动（图582）。第一个装有水力驱动风箱的鼓风炉，可能出现在16世纪的列日地区或莱茵河岸（图36）。16世纪以前，鼓风炉没有进一步的大改进。

达·芬奇阐述了当时的许多金属加工工具，但它们是他发明的还是早已存在的就不清楚了。将铁棒加工成指定截面形状的机器中，一种不怎么实用的方法是把可能是热的铁棒通过模板而制成。记载中，铁杆通常用水力驱动的螺旋来冷拔。在随后的几个世纪中，配备有轧机的钢厂可以更容易地生产出相同的产品。另一方面，这种方法已经被证实具有制造线材的价值，水力拉线设备15世纪末在德国南部就已出现。同一时期，在纽伦堡开始生产马口铁，这个行当需要能加工金属片的合适工具。达·芬奇最早设计的机器之一是螺纹切削机（图598）。

图596　由曲柄和连杆带动的手工磨，人力只需要做简单的往复运动。出自一部约1430年的手稿。

图597　由传动装置驱动的双向曲柄操作的制粉机。两个连杆很显然应该连接到一对踏板上，但是机器的这部分没有清晰地表现出来。出自一部约1430年的手稿。

在15世纪的手稿中出现了许多镗孔工具，例如用水轮驱动的给木材打孔的机器（图599）。达·芬奇描述了一个与此类似但垂直放置的机器，它在城市供水工程恢复后的一段时期是很重要的，因为水管大多数是中空的树干。此外，人们还设计类似的机器来铰大炮的口径。

在纺织工业中，纺车的改进显示了15世纪发明者的灵气，织布也同样取得了一些进步。能织出各种织物的纺车，据说是15世纪由卡拉布里亚人约翰（John the Calabrian）发明的，它是对中国原始纺车的改进，更有利于织出异常美丽的丝制品。

图598　达·芬奇的螺纹切削机。

需要加工的螺旋安置在中间，由曲柄带动。装有工具（中间部分）的车架由两个在传动装置上旋转的螺旋带动，两个螺旋由同一个曲柄驱动。改变齿轮的齿数比便可以改变刻在杆上的螺线斜率。出自南肯辛顿科学博物馆的一个模型。

海运业的扩展很大程度上源于地理上的伟大发现，但也带来了港口问题，特别是挖泥的工作量加大了。早在1435年，荷兰人就在米德尔堡建造了一条他们所称的“挖泥船”。它装备了一种巨大的耙子，可以弄松港口水道的底部，水流就可以带走淤泥和沙子。在许多地方，更原始的方法还在使用，例如在翁弗勒尔，港口水道的清理工作在春季潮汐时用犁和手推车完成。在其他时间，水在涨潮时被围在水坞里，接着在落潮时被泄放下来以冲刷掉港口的淤泥。

图599　在树干上钻孔制作水管的机器。

如图中所示，在装有切割刀具的轴上的轮子有可能是水轮。桶状的部分似乎用于在加工过程中将树干向前推进。摘自一部约1430年的手稿。

可移动闸门（图625）的发明使得为内陆航运主动扩建运河成为可能。一些类型的闸门很早就出现了，并且在1180年应用到达默从布鲁日到大海的水道中。在15世纪，闸门得到了很大的改善。从那时起，闸门像现今那样被用来控制水通过闸口或阀门以及流入或流出闸门室。在1440年以前，米兰的维斯孔蒂（Filippo Visconti）就使用了这种系统。1481年，威尼斯人在皮奥维戈也使用了它。1450年，阿尔贝蒂（Alberti）在关于建筑的论文中对它进行了描述。

显而易见的是，15世纪许多不同的领域都显示出卓有成效的机械化进展。保存至今的德国和意大利手稿证实了它们的作者经过了一系列的努力，试图解决在技术发展中遇到的各式各样的问题。他们经常将已经发明出的工具结合起来使用，以满足他们所处时代的需要。通过将阿基米德螺旋和风车相结合，1404年在荷兰第一次提到了可以排水的工具（边码689）。起重机改成了旋转式的（图600），它的应用例子出现在15世纪和16世纪的绘画中，一直到19世纪中叶都是主要港口的起重设备。很重要的一点，达·芬奇甚至发明了能在似乎是木制轨道上移动的起重机（图601）。

图600　（A）起重机的简单形式。（B）早期的回转起重机。均摘自一部约1430年的手稿。

图601　达·芬奇绘制的双回转起重机，设计用来抬起、运输大石块。左侧的绞盘很明显是用来拖动整部机器在它的基座上前移的。

18.9 现代机械的首次出现

18.9　现代机械的首次出现