И теоретические «знания», и знания с практическим содержанием имеют чрезвычайно древнее происхождение. Только первые с изобретением письменности начали фиксироваться на свитках папируса, на камне или на глине, а прикладные - в большинстве случаев остались в устной традиции и записывались лишь изредка. И если теоретические знания, выражавшиеся сначала в рецептурной форме, мало-помалу вырабатывали свой собственный, «научный», способ изложения, то прикладные еще долгие столетия будут придерживаться «рецептуры».
Какие познания из области механики были у древних народов до начала VІ в. до н.э.? Это были элементы гидравлики, строительной механики, статики, динамики и небесной механики.
Практическая гидравлика – управление разливом рек, орошение полей при помощи каналов, учет распределяемой воды, первые водоподъемные приспособления – лежали в основе хозяйственной жизни древнейших культурных стран, посколько их благоденствие в значительной степени зависило от умения вести водное хозяйство.
Орошаемое земледеление увеличивало возможности роста населения и появления городов. Первые города и необходимость снабжения их водой дали новые темы для размышления древним гидравликам: так, в ІІІ в. до н.э. г. Мохенджо-Даро на берегу Инда (современный Пакистан) имел водопровод и прекрасную канализационную систему для отвода дождевой воды со специальными колодцами для стока нечистот. Познания в области строительной механики обусловливались необхидомостью постройки крепостей, культовых и жилых зданий: требовалось критическое отношение не только к возводимым конструкциям, но и к материалам.
В результате многовекового опыта была осмыслена разница в прочности камнем, кирпича-сырца и обоженного кирпича, была найдена правильная форма высокого сооружения: в начале ІІІ тыс. до н.э. гениальный египетский архитектор Имхотеп создал в Соккаре первую ступенчатую пирамиду.
Древнейшие познания в области динамики связаны с практической механикой охоты и войн. Полет стрелы, полет камня, брошенного пращей, «артиллерийские» орудия – катапульты для метания камней большого веса, баллисты и т.п. побуждали древних механиков задумываться над полетом «снаряда»: он должен был попасть в цель. Имели они некоторые сведения и об относительной упругости материалов: тетива лука и упругие элементы баллист изготавливались из жил животных, обработанных специальным образом.
Этим не исчерпывались познания древних. Уже египтяне умели управлять силой ветра: паруса их судов постепенно принимают наилучшую форму.
Все эти элементы практической механики послужили базой при становлении механики как науки. Первый из философов, о котором имеются исторические сведения, Фалес, живший в Милете (Малая Азия) в начале VI в. до н.э, был, как сообщает историк Геродот, военным инженером и гидротехником. Он познакомил греков с египетской и вавилонской наукой, в его философии есть элементы рассуждения о сущности движения.
Гераклит Эфесский жил в Малой Азии в начале V в. до н.э. Он утверждал, что в природе нет ничего постоянного и неизменного: все течет и нам только кажется, что всякий раз мы погружаемся в одну и ту же реку, а на самом деле вода, в которую мы раньше погружались, давно ушла. Нельзя дважды войти в одну и ту же реку. Мир, единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим, - считал он.
Следует заметить, что уже в древние времена попытки пояснить движение и его элементы подвергались критике. Так, Зенон Элейский (510-440 гг. до н.э.) оспорил понятия протяженности и множественности вещей.
Значительно развил учение о движении величайший из греческих материалистов Демокрит ( ок. 470 г. – нач. IV в. до н.э.) уроженец малоазиатского города Абдер. Он учил, что материал состоит из атомов, неделимых мельчайших частиц, имеющих разную величину и форму. Атомы движутся в пустоте в различных направлениях и с различными скоростями, но не ускоряясь и не замедляясь, и следовательно, не останавливаясь. Движение атомов извечно, оно не имеет ни начала, ни конца. Таким образом, Демокрит предвосхитил закон инерции; различие было лишь в том, что он допускал не только прямолинейное, но и круговое движение атомов. Однородные атомы могут влиять друг на друга притягиваясь или отталкиваясь, но вступать в соприкосновение они не могут. Поэтому толчок, удар, давление являются лишь кажущимися явлениями, обманом наших органов чувств. Движение универсально. Труд Демокрита по механике сохранился лишь во фрагментах, причем в основном содержащих возражения противников философа.
Значительно более полную концепцию механики мы находим в работах великого древнегреческого философа Аристотеля (384-322 гг до н.э.) – «Физика», «Трактат о небе». Аристотель, занимаясь проблемой движений, в это понятие включал собственно не только перемену места, но и качественные изменения. Вместе с тем наука Аристотеля основана не на опыте, а на рассуждении. Он различал естественные и насильственные движения. Движения тела под воздействием силы тяжести считал естественным, ибо в этом случае тело стремится к своему естественному месту. Движение же камня под действием силы, приложенной к нему, есть движение насильственное. Подъем легких тел вверх является примером естественного движения, ибо их местоположение – на орбите Луны, а естественное местоположение тяжелых тел - в центре Вселенной.
Понятия силы, или мощности (оно окончательно прояснится лишь через две с лишнем тысячи лет), у Аристотеля выступает в качестве первопричины движения. Он знает сложение движений по правилу параллелограмма, известны ему понятия скорости и сопротивления среды. Движение он считает вечным, но свойство движения не присуще материи: оно постоянно поддерживается движителем, и существует первичный движитель, который является первопричиной движения.
Таким образом, у Аристотеля мы встречаемся не только с причинами и сущностью движения, но и с некоторыми кинематическими и динамическими характеристиками его. Само по себе кинематическое исследование – донаучного происхождения. Первые же наблюдения небесных тел показали, что существуют неподвижные и подвижные тела; изучение этих тел и их видимых движений и легло в основу астрономии и астрологии (в древности они не различались), эти первоначальные наблюдения послужили также одной из первопричин становления науки механики. Первым сочинением (из числа дошедших до нас), в котором было пояснено равновесие тел и которое, таким образом, явилось основополагающим при создании статики, считается «Механические проблемы», приписанные Аристотелю, но созданные в начале ІІІ в. до н.э., т.е. после его смерти, вероятно, одним из его последователей. В этом сочинении автор, так называемый Псевдоаристотель, исследует простые машины на основании одного принципа, утверждая, что свойства весов приводятся к свойствам круга, свойства рычага – к свойствам весов, а большинство движений механизмов приводится к свойствам рычага, мощность, или силу он определяет как произведение веса, или массы тела (древние не различали этих понятий) на скорость движения.
Здесь чувствуется влияние Аристотеля, но интерес автора к механическим искусствам заставляет предложить, что он был жителем Александрии, где к ІІІ в. до н.э. техника достигла высокого совершенства. Ему принадлежит интересная мысль… «когда нам приходится делать что-нибудь противоположное стремлению природы, задача становится трудной и требует применения технического искусства. Ту часть этого искусства, которая борется с этими затруднениями, мы называем механикой».
На протяжении V-VI вв. механическая техника пополняется еще одним изобретением – возникают машины. Первые машины – простейшие водяные мукомольные мельницы – были построены на горных речках Закавказья и Малой Азии. Возникновение мельниц было обусловлено ростом населения и увеличением спроса на муку. Помол зерна, производившийся вручную на зернотерках и ручных жерновах, был одной из самых трудоемких и тяжелых операций того времени.
Водяная мельница (рассматриваемая как машина) имела в своем составе энергетический агрегат – водяное колесо, передачу – два цевочных колеса, жестко насаженные на валы, и рабочий орган – жернова. В таком виде, с незначительными улучшениями, водяная мельница дожила до ХVІІІ, а кое-где и до ХІХ века.