Изобретательский гений Леонардо был подкреплен обширными техническими знаниями. Он как бы сразу, во всех ее составляющих видел будущую машину. Он знал практически все разновидности зубчатых зацеплений, кулачковые, гидравлические и винтовые механизмы, передачи с гибкими звеньями... Он изобрел несколько типов экскаваторов и продумал организацию земляных работ одновременно на нескольких горизонтах. Он изобрел несколько гидравлических машин, в том числе тангенциальную турбину, прядильный и волочильный станки, станок для насечки напильников, приспособления для нарезки винтов, прокатный стан, станок для свивки канатов. Некоторые из его изобретений настолько опередили свое время, что остались недоступными для техники той эпохи. Сюда можно отнести центробежный насос, гидравлический пресс, огнестрельное нарезное оружие.
Вплоть до конца XVIII в. основное назначение машин остается одним и тем же — замена физического труда. Но появляются уже технологические машины, целью которых является замена действия руки человека, и именно развитие этих машин привело к промышленной революции. В XV в. была изобретена рогулька для ручной прялки. В XVII в. получили распространение самопрялки с ножным приводом. Весьма древним по своему происхождению является токарный станок. Он был известен уже около 500 г. до н. э. Со временем он становился совершеннее, росла его производительность, но принцип работы на нем долго оставался неизменным: в станке вращалась заготовка, а резец оставался в руках работника. Но вот в XVI в. Жак Бессон в своем «Театре инструментов» впервые описал станок для нарезки винтов с суппортом. Впоследствии изобретение суппорта повторил в начале XVIII в. русский механик Андрей Нартов, а в конце XVIII в.— английский промышленник Генри Модели.
Агостино Рамелли, один из преемников Леонардо, издал книгу «Различные и искусные машины», которая неоднократно переиздавалась. В этой книге описаны изобретенные им машины — мельницы, водоподъемники и грузоподъемники, насосы, конструкции которых зачастую чрезвычайно сложны. Поражает богатство механизмов: кривошипно-шатунные и кулисные устройства, различные типы червячной передачи, зубчатые зацепления. Есть и установка для одновременного чтения нескольких книг.
Подробно описал машины, применявшиеся в горном деле в XVI в. и ранее, немецкий врач, минералог и металлург Георг Бауэр, известный под латинизированным именем Агрикола. Согласно его сведениям в горнозаводских машинах уже тогда применялось железо для изготовления рам, зубчатых колес, подшипников. Ему уже было известно, как от одного водяного колеса можно привести в действие шесть насосов, несколько толчеи. Идея привода нескольких механизмов от одного источника энергии тогда еще не имела значительного распространения и была одной из технических новинок.
Современником Агриколы был выдающийся итальянский врач, математик и механик Джероламо Кардано, имя которого сохранилось в названии известного механизма. Кардано—один из основоположников кинематики механизмов. К вопросу о передаче и преобразовании движения он подходил в определенной степени как теоретик, стремясь глубоко разобрать теорию и практику зубчатых зацеплений. Тем не менее при описании изготовления часов он тут же с грустью заметил, что «часовые механизмы нашего века проводят больше времени у часовщиков, чем у владельцев».
Нужно сказать, что инженеры того времени умели решать разнообразные технические задачи. Они умели сооружать даже сложные установки, прообразы машин автоматического действия. Одну из таких установок построил в середине XVI в. в Соловецком монастыре игумен Филипп (Федор Степанович Колычев), который впоследствии был митрополитом Московским и по приказу Ивана Грозного был задушен Малютой Скуратовым. Сохранилось описание его установки. В нее входили мельницы («мельницы делал да ручьи копал к мельницам, воду проводил к монастырю»), которые мололи зерно, просеивали помол и были еще и крупорушками («доспел севальню, десятью решеты один старец сеет», «доспели решето, само сеет и насыпает и отруби и муку разводит розно, да и крупу само же сеет и насыпает и разводит розно крупу и высейки»). Мало того, установка имела к тому же устройство для приготовления кваса. Раньше этим делом занималась «вся братия и слуги многие из швальни», благодаря же устройству с работой справлялись один инок и пятеро служителей. Обратим внимание, как работало квасоделательное устройство. В нем квас «сам сольется изо всех щанов да вверх подоймут, ино трубою пойдет в монастырь да и в погреб сам льется да и по бочкам разодется сам во всем».
В монастыре были организованы соляной промысел, железоделательное и кирпичное производство. Изобретатель поставил несколько солеварен, соорудил сложную водную систему: «Горы бо великия прокопа и юдолия изборозди, и воду тещи от езера во езеро претвори и двадесятим бопятьдесят езером число и два источника сотвори и под монастырь во езеро приведе».
Интересно, что в «Механике гидравлико-пневматической» немецкого иезуита Каспара Шотта, опубликованной спустя столетие, описана машинная установка для пивоваренного завода, в общем напоминающая соловецкую установку.
В XVI в. были попытки создания и паровой машины, но они не увенчались успехом. Даже на протяжении XVIII в. основным источником энергии для больших установок продолжало оставаться водяное колесо.
Известны были две водяные установки — в Лондоне и в Марли. Третья установка — насосная система Змеиногорского рудника на Алтае — была малоизвестна, хотя с технической точки зрения она превосходила обе первые.
Лондонская насосная установка была построена в последней четверти XVI в. и служила для снабжения города питьевой водой. Через восемь десятилетий, после большого лондонского пожара, она была перестроена. В дальнейшем ее усовершенствовали, и для ее привода были построены четыре водяных колеса по 6 м в диаметре. В 60-х годах XVIII в. знаменитый английский инженер Джон Смитон добавил к установке еще одну секцию, в которую входило колесо диаметром около 10 м с 24 лопатками длиной около 5 м.
Машина в Марли была построена в последней четверти XVII в. голландским инженером Раннекеном. Она поднимала воду из Сены, затем по акведуку вода поступала в водоем, откуда уже шла к фонтанам Версаля. Установка состояла из 14 колес, которые приводили в действие 253 поршневых насоса.
Змеиногорская гидравлическая система, построенная Козьмой Дмитриевичем Фроловым в 80-х годах XVIII в., приводила в движение лесопилку, кузницу, рудоподъемные машины двух шахт, водоотливные, рудодробительные и рудопромывающие устройства. Два колеса в системе Фролова были поистине огром'ными: одно диаметром 15,6 м работало на Вознесенской шахте, в подземной камере. Оно приводило в движение сложную трансмиссионную систему к двум рядам насосов. Другое — Екатерининское — колесо имело диаметр даже 17 м и тоже работало в подземной камере.
Естественно, что гидравлические установки обычных мельниц были значительно меньших размеров и имели небольшую мощность. Так, суммарная мощность гидравлических машин Англии к концу XVIII в. составляла примерно столько же, сколько и суммарная мощность людей и животных, занятых в промышленности. Нужно было найти новый источник энергии — универсальный промышленный двигатель, который бы дал возможность строить промышленные предприятия вдали от рек.
В том же веке возникла проблема создания технологических машин, в первую очередь для текстильного производства, где безраздельно господствовал ручной труд. Мануфактуры и отдельные ремесленники не могли справиться с множеством заказов. Нужна была машина, которая заменила бы ручной труд прядильщика. История таких машин началась с 1735 г., когда Джон Уайетт изобрел первую, по сути дела, прядильную машину. Но вот что любопытно и что довольно хорошо характеризует обстановку в промышленности того времени накануне промышленного переворота: эта первая прялка работала в буквальном смысле благодаря... ослу, т. е. источником энергии служил осел.
В 1765 г. появляется прядильная машина периодического действия под названием «Дженни», построенная Джеймсом Харгивсом, в 1767 г.—ватерная машина Ричарда Аркрайта. Дальнейшие изобретения и усовершенствования полностью машинизировали текстильную промышленность, правда, пока только в производстве пряжи. И следствие: если ранее пряжи не хватало, то теперь образовался ее излишек. Изобретение Сэмюэлом Кромптоном «мюль-машины» еще более увеличило эти излишки. Всеми отчетливо осознавалась нужда в ткацком станке, отвечающем времени. И он появился. В 1785 г. деревенский священник Эдмунд Картрайт взял патент на механический ткацкий станок.
Не оставалась в стороне и Россия. Здесь в 1767 г. было 7 хлопчатобумажных мануфактур, а через 20 лет их число увеличилось почти в 35 раз. Более медленными темпами развивалась полотняная, шелковая и суконная промышленность. В 1760 г. хозяин прядильной мануфактуры в Серпейске Калужской губернии Родион Глинков построил 30-веретенную машину для прядения льна с приводом от водяного колеса и мотальную машину, заменившую десять человек, а также другие машины. В течение века в России было создано много металлообрабатывающих станков. В частности, в Туле Яков Батищев построил вододействующую машину для сверления и обдирки ружейных стволов и несколько других машин. На том же Тульском оружейном заводе впервые было налажено производство взаимозаменяемых деталей.
