机械始于工具，工具是简单的机械。现代各种复杂精密的机械都是从古代简单的工具逐步发展而来的，而人类与动物的区别就在于能够制造和使用工具，并把简单的工具发展成为各种机械。

根据所使用工具的材料不同，古代人类相继经历了石器时代、铜器时代和铁器时代。

人类使用石器的时间长达上百万年。石器时代所使用的各种石斧、石锤和木棒等工具尽管简单、粗糙，却是后来几千年机械发展的远祖。在新石器时代，人们已经开始使用天然铜。

伊朗南部、两河流域在公元前4000年～前3000年已使用青铜器，随后是埃及、欧洲和中国。中国甘肃马家窑遗址曾发现公元前2800年游牧民族铸造的青铜刀，说明青铜器已传入中国。“青铜时代”与“奴隶制社会”的时代大体相对应。

公元前2500年左右，埃及人开始从陨石中得到铁；约在公元前2000年，印度南部也出现了铁器。但真正意义上的铁器时代开始于公元前1400年左右。当时小亚细亚半岛上的赫梯（Hittite）王国掌握了冶炼铁的技术，最早大量地生产铁，并在很多场合用铁代替了铜。冶铁技术在赫梯王国灭亡之后才得以传播到中东和欧洲。

自远古一直到工业革命以前，木材始终是制造工具甚至机器的主要材料。

古代机械的发展与人类文明的发展同步。在铜器时代，世界上的铜铸造业集中在埃及和西亚、中国、欧洲（主要指希腊、罗马）三个地区。这些地区就成为人类古代文明发展的中心，古代机械方面的发明和创造也主要集中在这三个地区。

人类文明在埃及的出现远远地早于中国和欧洲。埃及也是人类使用工具最早、创造了“简单机械”的地区，但发展缓慢，到了公元后，埃及就从创造的前沿淡出了。公元7～15世纪，西亚又出现了一次高峰，伊斯兰文明达到她的黄金时代，出现了以库尔德族学者雅扎里（Ismail Al-Jazari，1136～1206）为代表的机械发明家。雅扎里在他的《精巧机械装置之书》中，描述了他创造的上百种机械装置。

古代中国的发展比埃及起步晚千余年。在商代和西周时期，中国就出现了桔槔、辘轳、鼓风器等工具。春秋末年，中国进入铁器时代。

历史进入公元后，中国机械方面的发明创造进入了黄金时代。机械发明和工艺技术种类多、涉及领域广。从东汉到宋元时期，中国长期拥有世界上水平最高的机械技术。古代中国涌现出一批卓越的发明家。

15世纪上半叶，明朝的郑和船队航行时间之长、规模之大、范围之广，达到了当时世界航海事业的顶峰。这也反映出中国当时的制造水平。1637年，明朝末年的学者宋应星所著的《天工开物》出版。郑和船队和《天工开物》可以被看作是两个标志，标志着中国古代科技最后的辉煌。

近代研究中国机械发展史的第一人刘仙洲指出：“在14世纪以前，中国的发明创造不但在数量上比较多，而且在时间上多数也比较早。但是在14世纪以后……一般的都逐渐落后于西洋。”中华民族是十分智慧的民族，但是封建统治者长期“重农抑商”，不重视工业、手工业技术的发展，技术发明常被视作“奇技淫巧”。到了明代，科举考试愈发僵化，以八股取士使得一般的读书人不讲究实际学问，对科技毫无兴趣。郑和只到了非洲东海岸，没有看到欧洲。他发现，所到之处都比中国落后。他的海外见闻助长了统治者和国人的唯我独尊观念。

明朝中后期开始实行“闭关锁国”政策，到清朝则更变本加厉，严格限制对外交往和贸易。统治者对西方出现的社会变革和发展起来的科学技术几乎一无所知。闭关锁国政策使中国丧失了对外贸易的主动权，隔断了中外科技文化的交流，阻碍了资本主义萌芽的发展。

巴尔干半岛在公元前3000年开始使用铜制工具——铜斧。公元前1000年时，铁器传遍欧洲。

公元前600年至公元400年，是希腊古典文化的繁荣期，出现了一批著名的哲学家和科学家。公元前4世纪时亚里士多德（Aristotle，公元前384～前322）的著作《论天》和《物理学》是现存最早的研究力学原理的文献。阿基米德（Archimedes of Syracuse，公元前287～前212）对科学有着多方面的贡献，是古希腊数学、力学、天文学的集大成者。他是流体静力学的鼻祖，发现了阿基米德原理。

随着古希腊、古罗马的衰亡，灿烂的欧洲古代文化归于沉寂。从公元5世纪（西罗马帝国灭亡）至15世纪（文艺复兴运动）这1000年，史学家称之为“欧洲中世纪”。中世纪的欧洲，封建割据带来频繁的战争，罗马天主教廷严格控制科学思想的传播，瘟疫蔓延欧洲。这些因素造成了中世纪欧洲科技（包括机械技术）和生产力发展的缓慢。

中世纪后期，欧洲吸收了中国、伊斯兰的先进技术，机械技术开始恢复和发展。在意大利首先出现了资本主义生产方式的萌芽。经济基础的变化带来了上层建筑的变革，在几百年间，欧洲陆续发生了文艺复兴等一系列的思想解放运动，世界进入近代。

古代机械的发明几乎涉及人类生活的所有领域。机械的发明首先是为了人类的衣食住行：农耕、灌溉、谷物处理、纺织、车与舟。为了农业，要懂得天象，这就出现了天象观测的仪器。要保卫自己族群的衣食住行，就出现了武器。制造工具和机械需要金属，为了冶炼，就出现了鼓风机。

杠杆、滑轮、轮轴、斜面、螺旋和尖劈被称为六种简单机械（见简单机械）。它是古代人类从使用工具的实践中总结出来的，也是后来机械发展的根基。希腊学者阿基米德和希罗（Hero of Alexandria，公元10～70）首先对简单机械进行了归纳和研究。

人类冶炼金属，用以吹旺炉火的鼓风器起了重要作用。有足够强大的鼓风器，才能使冶金炉获得足够高的炉温。随着金属冶炼的发展，在文明发展的各中心都出现了冶铸用的鼓风器。手动鼓风器（俗称皮老虎）是现代空气压缩机的远祖。后来又从人力鼓风逐渐发展到畜力和水力鼓风。公元31年（东汉初年），中国南阳太守杜诗（？～38）发明的水排（见水排）在当时已是很先进的水力驱动的冶炼鼓风机。

最早的舟是独木舟，它出现在公元前8000～前6000年。公元前3500～前3000年，首先在埃及，出现了帆船、锚和最早的轮子。几百年后，美索不达米亚人才把轮子安装在轴上，车辆诞生。

公元前1200年左右，腓尼基（Phoenicia，现黎巴嫩一带）已经有了人力划桨的战船。中国的春秋时代，吴国的战船“大翼”已长达27.6米，宽3.7米，载员90人。中国汉代已有大量3～4层的楼船。

中国的特殊车辆——指南车和记里鼓车是全世界的古代机械研究专家都极为感兴趣的发明创造（见指南车、记里鼓车）。

公元前3500年左右，中国和埃及都出现了原始犁。公元前15～前14世纪，欧洲人使用了杠杆式压榨机来压榨葡萄和橄榄。大体同时，埃及出现最早的原始磨房，进行谷物的粉碎，并使用了水车；美索不达米亚出现了原始的播种工具。中国在秦汉时期已推广使用能连续完成开沟、撒种、覆盖3项操作的耧犁。最迟到西汉时期，已使用扇车——风力清选粮食的扬谷器（见扇车）。晋代出现用畜力驱动的连磨。伊斯兰地区缺水而多风，农业对灌溉的依赖很大，在埃及、西亚地区出现了利用水力和畜力的水车。雅扎里的书中对多种水车有所记载和创新。风车的使用首先出现于7世纪的波斯地区。人们用风力来磨粉、抽水和压榨甘蔗。

公元前5500年，美索不达米亚人就开始纺线了。中国在秦汉时期出现了手摇纺车。宋末元初，著名的纺织专家黄道婆（1245～1330）发明了脚踏多锭纺车。王祯在1313年刻印的《农书》中曾描述了长2丈、阔5尺的32锭大纺车和水转大纺车。中国的纺纱机械居于当时世界的最高水平。

公元前4400年，埃及已经使用原始的织布机来织造亚麻布。中国在新石器时代已出现“腰机”。腰机没有机架，卷布轴的一端系于腰间，双足蹬住另一端的经轴并张紧织物。商周时代已有固定机架的织机，战国时期出现了一种脚踏提综斜织机，经考证是当时世界上最先进的织布机，明清时期的大提花织机达到手工织机时代的顶峰。

欧洲在6世纪才出现脚踏织机，其后1000年间没有太大的变化。直到英国工业革命前夜，飞梭的发明掀起了一场织机的革命，迅速将英国的纺织工业带到了绝对领先的地位。

中国是最早使用桑蚕丝的国家，在石器时代后期已制作出丝线等简单的丝织品，秦汉时期，手摇和脚踏的缫丝机已在民间广泛使用。

约在一万年前，人类就开始利用天文现象和流动物质的连续运动来计时（如圭表、日晷、水钟、沙漏等），通过计时可以确定一年中最好的种植季节。由于天文历法等方面的需要，古代人很早就研究制作了天文仪器。有的天文仪器兼有计时器的功能。

1900年，在希腊安提基特拉岛（Antikythera）附近的沉船里，发现了古代青铜仪器——安提基特拉机构的残骸。据考证，它是一个预测天体位置的太阳系仪。

西方和中国先后都发明了浑天仪。11世纪末叶，中国北宋的天文学家苏颂（Su Song，1020～1101）等人制作出了水运仪象台。它是集观测天象、演示天象、计量时间和报告时刻的机械装置于一体的综合性观测仪器。国际上高度评价水运仪象台，认为它是近代钟表的祖先。

12～13世纪的库尔德族学者雅扎里制作了许多各种形式和尺寸的钟。真正的机械钟表出现于近代的欧洲。

埃及、中国和欧洲很早就开发了起重装置。从公元前8～前5世纪开始，希腊就出现了原始的起重机。阿基米德曾将许多滑轮组合起来使用，将人力增大了几十倍，只靠一人之力将岸边的船拖到沙滩上。希罗也曾设计了单柱和双柱的起重机，柱的顶部安装着滑轮。

阿基米德曾用螺旋将水提升到高处，后来罗马的城市供水就用了这类螺旋式输水机，它是今天的螺旋式输送机的始祖（图1）。

图1 阿基米德的螺旋输水机

古希腊学者希罗曾研制出了多种用于宗教礼仪或纯娱乐性的机械装置，如著名的神殿大门启闭机构（见古代趣味机械）。希罗还制造了简单的蒸汽涡轮玩具（图2），它可以被看作是蒸汽轮机的鼻祖。

中国三国时期的马钧（活跃期：220～265）曾研制水转百戏，显示出那时已能巧妙地利用水力及各种机构和机械传动。

伊斯兰技师也制作了一些供娱乐的巧妙的自动装置。

图2 希罗的蒸汽涡轮

随着金属在远古的使用，就出现了锻造、铸造等金属成形方法，而随着木材的使用就出现了切削加工。

金属的铸造是和金属的冶炼相伴而生的。公元前3000年以前，埃及人和欧洲人就先后掌握了铸造铜器的技术。中国发现的最早的青铜器铸件所处的年代约为公元前21～前17世纪（夏朝）。虽然比埃及晚，但发展很快，到公元前18～前11世纪（商代晚期和西周早期）已进入青铜铸件的全盛期，工艺上达到相当高的水平。商代铸造的后母戊鼎形制雄伟（图3），气势宏大，纹饰华丽，工艺高超，是世界上迄今出土的最重的青铜器（见后母戊鼎）。公元前513年铸造的晋国铸刑鼎，重约270千克，是世界上最早见于文字记载的铸铁件。在商代和西周时期，中国开始用铸造法制造钱币。

图3 后母戊鼎

中国古代出现了泥型铸造、金属型铸造和失蜡铸造3大铸造技术。泥型铸造是随着制陶技术而发展起来的。考古发现了战国时代用白口铁的金属型浇铸生铁的铸型和铸件。

在古代，世界上很多地方都出现了失蜡铸造技术。最著名的是在以色列南部发现的铸造制品，用碳14对其进行测定，保守评估当在公元前3700年左右。

锻造的出现比金属的冶炼和铸造还要早。在新石器时代晚期，远在铜的冶炼技术出现以前，人类曾利用天然铜。这种自然形态的铜，存在于铜矿的表面，由此产生了最初的切割、弯曲、锻打、退火、磨砺等成形与加工工艺。大约在公元前6000年的两河流域、公元前5000～前4000年的埃及，都有用天然铜制成的装饰品。其中小件是直接敲打而成，大件则是先将天然铜熔化再浇铸而成。

中国明代《天工开物》一书中，描述了锻制千钧锚的生产过程（图4）。中国的锻造长期停留在手工操作阶段。在古罗马时代，已经使用了落锤，用人力或畜力将重物举起又使其落下。14世纪出现了可以锻打大件的水力落锤。

最早的锻模出现于公元前1600年，是古希腊人用来把金板和银板精压成首饰的石制单面模槽。最迟在公元前5世纪，罗马已经用冲压法制造钱币，但在罗马帝国灭亡后失传了数百年。

中国在10世纪初，从制陶工艺中孕育出了金属旋压工艺，将银、锡、铜等金属薄板旋压成各种盘、罐、壶等器皿和装饰品。直到13世纪，这种技术才传到英国和欧洲各国。

在中世纪的1250年，人们已经用单面平锻模来锻造铁质装饰品。中世纪后期，欧洲已经用锻模来锻造火炮和火绳枪的弹丸，或精锻焊接的炮管。

公元前3000多年，埃及出现锻焊技术。锻工连续反复地击打加热了的金属，直至焊合。在金字塔中还发现了一些具有复杂锻焊焊缝的铁器和铜器。

公元前2000多年，中国商朝采用铸焊来制造兵器。公元前200年以前，中国已经掌握了青铜的钎焊和铁器的锻焊工艺。

公元310年制造的印度德里铁柱（iron pillar of Delhi），高7.25米，直径400毫米，是古代世界最大的金属制件。它是用多个小钢坯锻焊而成的，但观察其顶部的花纹，又可能是铸造成形（图5）。

图4 《天工开物》中的锻制千钧锚的插图

图5 德里铁柱及其顶部

公元前6000年，巴勒斯坦人就制作了弓形钻。它利用了弓和弦，并把弦缠在带柄的钻头上使之旋转，这可以说是钻床的远祖。公元前1300年，埃及出现了双人操作切割木质工件的车床：一人用绳索旋转工件，一人手持刀具进行加工。公元前8～前5世纪，原始的木工车床在欧洲许多地方开始使用；13世纪出现了脚踏式木工车床（图6）。

图6 脚踏式木工车床

自古至今人类一直在制造螺旋。在许多世纪里，人们是在圆木棒上用手工切出或锉出螺纹。

进入铜器时代，青铜锻后退火处理的作用就逐渐被人们所认识。公元前3000年，两河流域就对陨石铁进行锻造和退火。

中国在春秋战国时期，已掌握了防止生铁脆性的退火技术，并由此得到一种经得起锻打的有延展性的铁，用来制造多种铁质农具。公元前6世纪，铁兵器被使用，淬火工艺得到发展。分析西汉中山靖王墓中的宝剑可知，那时已经出现了渗碳淬火工艺。

在古代，数学、力学理论刚有萌芽，因此古代机械的产生来源于实践，缺少科学理论的指导。古代机械是一些能工巧匠依靠直觉和灵感创造出来的，这是机械设计发展历史中的第一阶段。许多古代机械的运动机理构思巧妙，以致今天复原起来还不是十分容易。希腊的安提基特拉机构和中国的指南车中使用的齿轮系均已相当复杂。

近代和当代所创造的机构和机器，如车床、汽轮机、水轮机、螺旋输送机等，在古代即已有雏形。虽然古代的机械比较简陋，但其原理与今天的机械是相通的。这些古代机械为后世的机械发明、改进奠定了基础。机器人的概念也早就出现在古代人类的思想中，在中国的西周时期和公元前3～前2世纪的希腊，都有巧匠制造机器玩偶的记载或传说。