1.1　机械发展史

机械（machine），源自希腊语mechine及拉丁文mecina，原指“巧妙的设计”。古罗马建筑师马可·维特鲁威在《建筑十书》中描述的“机械就是把木材结合起来的装置，主要对于搬运重物发挥效力”，即为机械最早的定义。随着社会的发展，机械的定义也发生了变化。谈及机械的发展进程，人们习惯使用古代、近代和现代来区分，即主要依靠人力、畜力和自然力来驱动的古代机械，以蒸汽机、纺织机械、农业机械推动工业革命进程的近代机械，以机器人、航空航天机械等实现智能化、高效化和自动化的现代机械。机械的进步不仅改变了人们的生活方式，也推动了社会的进步。本节将带您穿越时空，探索机械的演进历程，了解古代机械、近代机械和现代机械的特点与应用。

1.1.1　古代机械

人类与动物的区别在于能够制造和使用工具。古代人类使用工具经历了3个不同的时代：石器时代、铜器时代和铁器时代。

大约200万年前，人类学会了制造和使用石器，如石斧、石锤等，这些简单的工具是机械的远祖，对远古社会的发展起着决定性的作用。这一时期在历史上称为“石器时代”，常划分为3个阶段：使用打制的粗糙石器的旧石器时代、使用磨制石器的中石器时代、广泛使用磨制石器的新石器时代。

公元前5000年左右，人类开始冶炼铜，并用铜制造工具和武器，进入“铜器时代”。铜器与石器相比，具有更好的韧性和强度，且具有良好的可塑性，也更轻便。这一时期，世界上的铜铸造业集中在埃及、西亚、中国和欧洲南部。这些区域成为人类古代文明发展的中心。商代晚期的后母戊鼎是中国青铜器的巅峰之作，是目前已知的最重的青铜器，享有“青铜之王”美誉。四羊方尊是商朝时期青铜器文物，是我国国宝级文物，也是目前出土最大的商朝青铜方尊，被史学界誉为“臻于极致的青铜典范”。

公元前2500年，出现了极少量的铁器，其原材料最早来源于陨石。铁器坚硬、韧性高、锋利，胜过石器和铜器。公元前1400年左右，人类开始大量生产铁，且铁很快代替了铜。中国在公元前6世纪出现了生铁制品。古代社会以农业生产为主，铁制工具的使用有效提高了社会生产力，如铁犁牛耕将畜力、器械和人力三者结合，改善了人类的耕作模式。

古代中国的机械发明和工艺技术种类多、涉及领域广、水平高，涌现出一批卓越的发明家，机械发明涉及很多领域：农业、纺织、冶铸、兵器、车辆、船舶、天象观测等，在世界上长期居于领先地位。东汉发明家张衡发明了浑天仪，是一种构造复杂、能演示天象的仪器。三国时期的马钧改进了织机，将工效提高了4～5倍，并发明了用于农田灌溉的龙骨水车。北宋时期的毕昇发明了活字印刷术，对世界印刷术的发展产生了巨大影响，是中国古代最重要的技术发明之一。明末学者宋应星著有《天工开物》，系统而全面地记载了中国农业、工业和手工业的生产工艺和经验，并描述了金属工艺以及机械的结构、用途和操作方法等，该著作在世界科技史上占有重要地位。

古代机械的产生主要依靠能工巧匠的直觉、灵感创造以及实践需要，而缺少科学理论的系统指导。近代和现代创造的一些机构和机器（如车床、汽轮机、水轮机等）的雏形，形制简陋，但原理与今天的机械相通。古代机械使用人力、畜力、水力和风力作为动力，没有先进的动力是古代机械发展缓慢的原因之一。

1.1.2　近代机械

从欧洲文艺复兴时期开始，世界上产生了一系列社会变革和科学突破，人类社会逐步迈入工业化时代。工业化通常是指工业在国民经济中的比重不断上升，以至取代农业成为经济主体的过程。工业化进程中，动力机械是近代机械史上两次工业革命的先驱。

第一次工业革命发端于英国，从18世纪60年代至19世纪20—40年代，这次革命中，最主要的3项变革为动力、机器、工厂，并出现了使用机器进行生产的热潮。瓦特在已有纽可门蒸汽机的基础上，改进、发明了人们熟知的蒸汽机。在瓦特之前，生产主要依靠人力、畜力、水力，蒸汽机为人类提供了空前巨大的动力，极大地提升了社会生产力，使第一次工业革命蓬勃发展。

蒸汽机的出现促进了蒸汽机车和蒸汽轮船的发明，引发了交通运输的变革。史蒂文森设计了他的第一台蒸汽机车，并试运行成功，带领人类交通进入“铁路时代”。

与此同时，机器得到普遍使用，新机器的发明也遍布各个方面，涉及交通工具、建筑和矿山机械、热力机械、纺织和缝纫机械、信息机械、农业机械等，并促进了机床和各种压力加工机械的发明。相关发明实例如表1〖CD*2〗1所示。机械工程的发展在第一次工业革命的进程中起着主导作用。

19世纪下半叶，世界迎来大变革，电力、钢铁、内燃机、汽车和飞机极大地改变了工业结构，第二次工业革命从19世纪60—70年代延续至19世纪末20世纪初。工业进入大规模机械化时代后，蒸汽动力的缺点越来越突出，如不便于小型化、机械传动效率低且距离有限、难以实现流水作业等。发电机和电动机显然是更理想的动力，成为第二次工业革命的突破口。随着电力的广泛应用，世界进入电气时代；随着新型炼钢法的出现，世界进入钢铁时代。

奥托发明了内燃机，引发了交通运输领域新的革命性变革，并推动了石油开采业的发展和石油化学工业的诞生。没有内燃机的发明，就没有后来以汽车和飞机为代表的新的交通运输革命。

第二次工业革命中，也涌现了许多机械发明，水轮机、汽轮机、燃气轮机、喷气式发动机等动力机械大为发展（见表1-2），采矿、冶金、化工、轻工等各工业部门广泛地实现了机械化和电气化。机械工程的发展在第二次工业革命的进程中起着骨干作用。

第一次工业革命中，发明机器的主要是工匠、机械师，他们依靠的是在实践中积累起来的经验；而在第二次工业革命中，科学家走在了工程师的前面，理论开始发挥指导作用。两次工业革命后，机械工程师的队伍和力量逐步壮大，机构学成为一个独立的学科，且经典力学创立，为机械科学的发展奠定了基础，机械工程学科于19世纪上半叶诞生，到20世纪上半叶基本形成，且机械动力学、机械传动与液压传动、机械设计、机械制造等学科蓬勃发展。

1.1.3　现代机械

第二次世界大战催生了电子计算机、火箭和原子能三大技术，后续的世界大范围和平促进了经济和科技的高速发展，第三次工业革命由此兴起。与前两次以动力为主的工业革命不同，第三次工业革命是以电子计算机技术统领的，以航天技术、生物技术、新材料技术和新能源技术为核心领域的一次信息化革命。

和平的环境中催生了更大的世界市场，激烈的竞争推动着机械产品不断地改进、提高和创新。机械工业和机械科技获得了全面的发展，其规模之大、气势之宏、水平之高，都是前两次工业革命所远远不能比拟的。

19世纪末到20世纪中后期，新的物理学革命产生，物理、数学的进展提供了新的理论基础、强大的计算手段，信息论、控制论和系统论诞生，非线性科学诞生且快速发展，以上理论科学的发展为第三次工业革命奠定了科学基础，且科学和技术的结合因此更为紧密。在新革命中，交叉学科越来越多，又高度综合，不同学科间的联系越来越密切，科学成为一个多层次、综合性的统一体，技术则由许多单一技术发展为高科技群。

机械发展趋向全面自动化、网络化、智能化。控制工程理论、计算机技术与机械技术相结合，在机械工程中产生了一个新的学科——机械电子工程，出现了一批机电一体化产品，特别是现代汽车、高速铁路车辆、飞机、航天器、大型发电机组、IC制造装备、机器人、精密数控机床和大型盾构掘进机械等复杂机电系统。它们机械结构复杂、动力学行为复杂，处于机械设计与制造领域的最高端，很多新方法、新技术因这些高端领域的需要而产生，随后才向一般机械制造领域扩散。

新时期的机械设计向机械学理论提出了新的课题，断裂力学、多体力学、数值方法等领域的进步为机械学理论的发展注入了新的活力。包含机构学、机械强度学、机械传动学、摩擦学、机械动力学、机器人学和微机械学的现代机械学理论取得空前的发展。

从古代到现代，机械的演进是一个不断发展的过程。古代机械以简单而巧妙的设计为特点，近代机械以规模和复杂性增加为特征，而现代机械则以智能化、高效化和自动化为标志。机械的进步不仅改变了人们的生活方式，也推动了社会的进步。随着科技的不断进步，我们可以期待未来机械的发展将带来更多的创新和突破，为人类社会的发展做出更大的贡献。 2ru6NFq1KI+xOUwTsI095O6hx74tNDMn3sBdvEF89wtHsb53m1VShbD7XNFm9GI9