弹簧的应用

大多数材料都有不同程度的弹性，如果将其弯曲，便会以很大的力量恢复其原形。在人类历史上，一定很早就注意到树苗和幼树的树枝有很大的挠性，因为许多原始文化利用这一特性，在特制的门后或笼子后楔上一根棍，或者用活结套在一根杆上向下拉;一旦松开张力，这根棍或杆就会往回弹。他们就用这种办法来捕捉飞禽走兽。实际上，弓就是按这种方式利用幼树弹性的弹簧;先向后拉弓，然后撒手，让其回弹。中世纪时，这种想法开始出现在机械上，如纺织机、车床、钻机、磨面机和锯。操作者用手或脚踏板给出下压冲程，将工作机械往下拉，这时用绳索固定在机械上的一根杆弹回，产生往复运动。

弹性材料的抗扭性不压于它的抗挠性。希腊帝国时期 (大概是公元前4世纪)发明了用搓成的腱绳或毛绳拉紧的扭簧，用以代替简单的弹簧来加强石弩和抛石机的威力。这时人们开始认识到，金属比木头、角质或任何这类有机物质的弹性更大。菲洛 (其写作年代约为公元前200年)把它作为一项新发现来进行介绍。他估计读者是难以置信的。凯尔特人和西班牙人的剑的弹性，引起了他的亚历山大城的前辈的注意。为了弄清楚剑为什么有弹性，他们进行了许多实验。结果他的师傅克特西比发明了抛石机，抛石机的弹簧是用弯曲的青铜板作成的——实际上是最早的片簧;菲洛本人又进一步改进了这些抛石机。富有创造性的克特西比在发明这种抛石机后，又想出了另一种抛石机—一它利用汽缸内空气在受压的情况下产生的弹性工作。

在很久以后人们才想到：如果压缩一根螺旋杆，而不是弯曲一根直杆，那么金属弹簧储存的能量就会更大。据伯鲁涅列斯基的小传记载，他制作过一口闹钟，其中使用了若干代弹簧。最近有人指出，在附有一些奇特的螺旋弹簧钟表图的15世纪末叶的一本机械手册中有这架闹钟的图样。这类弹簧也用于现代的捕鼠器。带圈簧 (水平压缩而不是垂直压缩的弹簧)的钟表，在1460年左右肯定已开始使用了，但基本上是皇室的奢侈品，大约又过了1个世纪，带弹簧的钟表才成为中产阶级人士的标志。

控制流动方向的阀门

由于阀门只让水或其他流体(如空气)沿一个方向流动，几乎可以肯定地说，它最先是作为需要这种运动的早期工具——风箱的一个部件出现的。阿格里科拉在研究文艺复兴时期的冶金学的文章中说，锻铁炉风箱有一个比风眼稍长和稍宽的薄板，“薄板上覆盖着山羊皮，是用皮带捆在板上的，毛边一侧冲地面”。放置的方式是：当风箱鼓起来时，薄板打开;当风箱收缩时，薄板关闭。”瓣阀肯定远比阿格里科拉的时代为早，同楔形板风箱一样古老。但它问世的具体年代却很难确定，因为瓣阀这个术语来自古老的皮袋型风箱 (在这种风箱中，操作的人可以用脚或手将风眼堵住)。显然，最早的模型大约是希腊王朝时代的青铜灯，但在罗马后期的诗人奥素尼乌斯之前还没有人提到过青铜灯的阀门。奥索尼乌斯把陆上快咽气的鱼的鳃。比作在掬木腔内往复运动时通过孔眼交替进风和挡风的羊毛阀。

可以说，机械上使用阀门的历史起始于克特西比的压力泵。维脱劳维斯和赫罗对压力泵作了详细的说明，他们说：“灵巧地安在管道口内的环形薄片，不会让压入容器的东西再往回跑。”看来克特西比压力泵的原始瓣阀呈长筒形，那时已用来搞屋顶通风。后来改用矩形阀，但名称仍保持不变。已经修复了几台罗马压力泵，其阀门已严重腐蚀，但还是可以辨认出来。赫伦在讲到用双气缸压力泵作灭火器时，还介绍了一种原始的跳动活门，一些在三根弯柱上滑上滑下的小圆盘。克特西比的水力机件有用来控制空气进入管道的滑阀。除此以外，在文艺复兴时期前，所有的泵和风箱阀都是瓣阀 (或铰形阀)。

达·芬奇发明的一种锥形跳动舌门，无疑是拉梅利的机械发明手册

(1588)中所画的那些舌门的来源。跟拉梅利同时代的阿勒奥蒂，在自动木偶戏中采用了一种蝴蝶阀来控制管道内的水流。但是，从赫伦的时代直到发明蒸汽机，这些跳动舌门没有一种得到广泛应用，各种阀门也没有什么变化。蒸汽机(需要对流入和流出顺序进行更精确的控制)导致了跟发动机的运转有关的精密阀门的出现，这些阀门包括纽科门设计的释放积蓄在气缸中的空气的“喷气阀”、默多克的滑阀(1799)和使双动发动机的活塞保持平衡的平衡阀。

蒸汽机上的曲轴

9世纪的一首赞美诗曾讲到西方用曲柄跟曲柄销和曲柄臂连成一体来转动磨石的事。此后500年内，曲轴只偶尔见于图例。在公元1400年之后不久，至少在低地国家的带旋转升降机、罐笼，甚至测试仪表等插图的手稿中似乎都突然出现了曲轴。组合曲轴在同一时代问世，最初为拉杆式，是一种简单的手持工具。但是，在拉杆曲轴首次出现后几年内，有人就想到转动拉杆的曲柄臂可以用连杆代替，在手磨机中，连杆仅仅是人的手臂的延伸，但是，连接机构可以反向运动，通过旋转曲柄驱动连杆来操纵一台泵，如同公元1431年的一部手稿中所描绘的那样。于是，曲轴诞生了。15世纪和16世纪普遍采用曲柄来驱动风箱和大型锯机，它们是要求双向控制的仅有的两种机器。虽然偶尔也在泵中采用曲轴，但已经设计出双拐甚至四拐曲轴，并且很可能已经到处安装使用。然而，在很长时间内，人们并不真正欢迎曲轴，因为只要重型机器都是木制的，曲轴就不易制成整体，就会使连接处受到很大的应力。

不管怎样，在铸铁时代以前，曲轴并未获得应有的信誉。公元1780年，瓦特发觉自己受到一项专利的限制，不能利用曲轴将他的蒸汽机的往复运动转变为旋转运动——旧式运动路线的倒转。虽然他很气愤，但却从中受到了启发，设计出了达到同一目的的恒星与行星齿轮。但是随着专利的过时，曲轴变成了进行这种作业的标准设备。如果使用两个或多个汽缸，或必须从两侧提供动力 (例如向汽船的桨轮上提供动力)，那么，曲轴就是一个解决办法。在尔后的蒸汽时代，曲轴被用在20世纪所有的活塞发动机上，无论哪一种燃料都可以驱动。

螺钉和改锥的来历

木螺丝 (在美国有时称为螺钉)是比较近代的东西。但是，在16世纪，军械工人和军械士已经使用一种带凸片的小型工具——最初的“螺丝起子”——来调节他们的步枪机构了。步枪机构用铁钉钉在枪托上。有人发现，在铁钉上加螺纹，会固定得更牢。像所有其他铁钉一样，它们都是被敲进去的，取出来很困难。唯一的解决办法，是在将铁钉敲入之前，在其头部切出沟槽。这样，利用“螺丝起子”就可以将它们取出。于是，螺丝起子就成了最早的螺丝钳子或拧松器。费利比安的1676年的改锥就是这种类型。

由于螺钉是用手工制造的，造价自然昂贵，只用在特殊的工件上。然而，到18世纪末，一些不知名的天才(可能是在英国伯明翰)发现了一种更好的制造方法，不过仍然是用机器制造平端螺钉。这使得螺钉的造价低廉，能普遍地用于固定铰链、门、家具等。但是，细纹螺钉的作用由于敲击而减低，需要用有较长凸片的工具将其拧进去。大约在公元1780年，伦敦装配工具的制造厂商引进了有较长凸片的改锥，这种改锥的商标至今还称为“伦敦牌”。大约在公元1840年，内特尔福德改进了木螺钉，将其制成带尖的。改锥从此一直向前发展。

空气泵

德国马德堡市市长盖里克对科学家和哲学家关于形成真空的可能性的争论很感兴趣。作为一个受过专门教育的工程师，他决定通过实验来解决这个问题。公元1650年，他制造出了第一台空气泵——像一台手工操作的水泵，但有制造精密的零件，不透气。这台空气泵是成功的。他指出，在一个抽尽了空气的容器内，听不到钟响，蜡烛不燃烧，动物也会闷死。

他的大规模的演示是十分壮观的。有一次实验是当着皇帝斐迪南三世的面在其宫廷前面的空旷处进行的。在这个实验中，在直径12英尺的两个半球的周边凸缘上涂上润滑脂，将两个半球的凸缘嵌合，然后将球内空气抽尽。将8匹马分成两组拉拴在每个半球上的钢索也未能将其分开，可是放进空气后，它们就分开了。在公元1654年的另一次实验，是将一个立式开口圆筒活塞下面抽成真空，用50人拉拴在活塞上的绳子，他们反而被活塞拉动了。人们就是用这种方法来使活塞做功的;活塞的下面必须始终有一个真空。

但是，没有空气泵能形成真空吗?经过许多年之后，人们发现用蒸汽可以解决这个问题。公元1698年，托马斯·萨弗里第一个利用蒸汽排水，使蒸汽通入密闭容器，然后在容器上喷冷水，使其中的蒸汽冷凝，从而产生真空。他利用这种真空从矿井抽水，又利用锅炉蒸汽将容器中的水排空。这个循环过程反复进行。

萨弗里的设备被称为“矿工之友”。它没有任何活塞或活动零件，也不是一台发动机，而只是一台泵而已。

在此以前的1690年，法国的丹尼斯·帕平已经制造出了一个模型设备，一个直径2.5英寸的活塞刚好能放进汽缸里。在汽缸内盛少量的水，他就能够通过连续地将水加热和冷却的办法，证明汽缸冷却时在活塞下面形成真空。虽然这种设备没有得到实际应用，但却是第一台利用冷凝蒸汽推动活塞和做功的设备。

公元 1712年，将居里克、帕平和萨弗里的上述3项成就结合在一起，达特默思的托马斯·纽科门制成了一台实用的蒸汽机。