机械设计是如何发展的？
18世纪以前，机械匠师全凭经验、直觉和手艺进行机械制作，与科学几乎不发生联系。到18～19世纪，在新兴资本主义经济的促进下，掌握科学知识的人士开始注意生产，而直接进行生产的匠师则开始学习科学文化知识。他们之间的交流和互相启发取得很大成果。在这个过程中，逐渐形成一整套围绕机械工程的基础理论。
动力机械最先与当时的先进科学相结合。蒸汽机的发明人T．萨弗里、J．瓦特应用了物理学家D．帕潘和J．布莱克的理论，在蒸汽机实践的基础上，物理学家S．卡诺、W. J. M．兰金和开尔文建立起一门新的科学——热力学，图4-1是早期蒸汽机。内燃机最重要的理论基础是法国的罗沙在1862年创立的，1876年奥托应用罗沙的理论，彻底改进了他原来创造的粗陋笨重、噪声大、热效率低的内燃机，从而奠定了内燃机的地位。其他如汽轮机、燃气轮机、水轮机等都是在理论的指导下得到发展，而理论也在实践中得到改进和提高。
早在公元前，中国已在指南车上应用复杂的齿轮系统，如图4-2所示的指南车，是中国古代用来指示方向的一种机械装置。车中，除两个沿地面滚动的足轮（即车轮）外，尚有大小不同的7个齿轮。它利用差速齿轮原理，通过齿轮传动系统，根据车轮的转动，由车上木人指示方向。不论车子转向何方，木人的手始终指向南方。古希腊已有圆柱齿轮、锥齿轮和蜗杆传动的记载。但是，关于齿轮传动瞬时速比与齿形的关系和齿形曲线的选择，直到17世纪之后才有理论阐述。手摇把和踏板机构是曲柄连杆机构的先驱，在各文明古国都有悠久历史，但是曲柄连杆机构的形式、运动和动力的确切分析与综合，则是近代机构学的成就。机构学作为一个专门学科迟至19世纪初才第一次列入高等工程学院（巴黎的工艺学院）的课程。通过理论研究，人们方能精确地分析各种机构，包括复杂的空间连杆机构的运动，并进而能按需要综合出新的机构。
机械工程的工作对象是动态的机械，它的工作情况会发生很大变化，这种变化有时是随机的因而不可预见；实际应用的材料也不完全均匀，可能存在各种缺陷；加工精度也存在一定的偏差等。与以静态结构为工作对象的土木工程相比，机械工程中各种问题更难以用理论精确解决。因此，早期的机械工程只运用简单的理论概念，结合实践经验进行工作。设计计算多依靠经验公式，为保证安全，都偏于保守。结果，制成的机械笨重而庞大，成本高，生产率低，能量消耗很大。
从18世纪起，设计计算从两个方面不断提高了精确度：
（1）在材料强度方面，从早期按静强度除以安全系数（考虑一切不精确性和分散性因素的经验系数）的粗糙计算，提高到考虑材料的疲劳（19世纪后半期）；从一律按材料的无限疲劳寿命进行设计，改为按照实际要求的寿命进行有限寿命设计（20世纪前半期）；从认为材料原则上不能有裂纹，发展到以断裂力学理论为依据，考虑裂纹材料的强度和寿命。
图4-1 早期蒸汽机
图4-2 指南车在机械结构的力学分析方面，从应用经验公式和简化的力学分析来确定各种受力和力矩，发展到应用复杂的力学分析和数学计算方法。进入20世纪，又出现各种实验应力分析方法。人们已能用实验方法测出模型和实物上各部位的应力，在发现应力过高或过低时，便可能作出必要的调整。20世纪后半叶，人们开始应用有限元法和电子计算机迅速可靠的数值计算，对复杂的机械及其零件、构件进行力、力矩、应力、应变等的分析和计算。对于掌握有充分的实践或实验资料的机械或其元件，已经可以运用统计技术，按照要求的可靠度科学地进行机械设计，或者按机械的实际情况（实际的质量、实际的使用条件等）科学地判断其可靠度和寿命。但在许多机械工程工作中，还应用一些经验方法、经验公式和经验系数等，不过其中的科学成分在不断增加，经验成分则不断减少。
