两汉时期，随着社会生产力的不断提高， 农业和手工业快速发展，各种发明创造层出不穷。在机械方面有指南针、指南车、水碓、翻车、渴乌、浑天仪、候风仪、地动仪及扇车等问世，这些发明对当时和后世的生产生活、科学技术及手工业发展等产生了重大的推动作用，具有深远的意义。
指南针及指南车
对于指南针的发明时间，现代人多以为是唐宋以后的事了。而实际上，在我国两汉时期，比较实用的指南针（即司南）就已经出现了。指南针的出现，与我国古代劳动人民对磁石性质的了解和掌握是分不开的。古代工匠在开矿的过程中，会遇到天然磁石，到了春秋战国时期，人们对磁石的性质已有所认识。《吕氏春秋•精通篇》高诱注说：“石，铁之母也。以有磁石，故能引其子；石之不磁者，亦不能引也。”此外，人们对天体的认识也逐步深入，这些对指南针的发明起到了关键作用。王充《论衡•是应篇》说：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”这表明汉代已有了用杓形指示方向的指南针，这也是历史上最早的关于指南针的可靠记载。
指南车是古代用来指示方向的车辆，它是利用齿轮传动系统和离合装置来指示方向的。据《宋书•礼志五》载：“其制如鼓车，设木人于车上，举手指南。车虽回转，所指不移。”西汉经学家刘歆在《西京杂记》中记载道：“汉朝御驾祠甘泉汾阴，备千乘万骑。太仆执辔，大将军陪乘，名为执驾。司南车，驾四，中道。”当代学者对这种 “司南车”进行研究后，认为它是中国历史上有案可稽的、最早靠齿轮来传动的指南车。后来东汉科学家张衡在此基础上发明了结构更为复杂的指南车。自动离合装置指南车的出现，标志着两汉时期我国机械技术水平已经达到了较高的程度。
水碓、翻车和渴乌
我国古代劳动人民很早就用水力推动鼓风机来铸铁，并进一步利用水力、杠杆和凸轮原理来加工粮食。我们把用水力将粮食皮壳去掉的机械叫做水碓。水碓约发明于西汉时期，它的出现和使用，大大提高了生产效率。众所周知，人类最早发明的粮食加工工具为杵臼一类的器物，在新石器时代晚期的考古中，就已发现了此类器具，例如在山西襄汾陶寺遗址出土的一件长方形石质臼状研磨器，被称作是中国最早的杵臼。随着生产力的发展，人们发明了践碓，并以此取代了杵臼。践碓利用杠杆原理，把杵头安装在杠杆（碓身）的一端，用脚踏动杠杆另一端，使碓上下运动，以此来加工稻谷。后汉的桓谭在《新论》中说：“宓牺之制杵臼，万民以济；及后人加巧，因延力借身重以践碓，而利十倍杵臼。又复设机关，用驴骡、牛马及役水而舂，其利乃且百倍。”这里所说的“复设机关”，即指为践碓安装了轮轴一类的传动装置，通过畜力或水力推动水轮转动，使装在轮轴上的凸板不间断地代替人脚压动碓身工作。水碓出现以后，很快地在粮食加工方面得到广泛应用。《后汉书•西羌传》记载说：“《禹贡》雍州之域，……因渠以溉，水舂（水碓）河漕。用功省少，而军粮饶足。”当时水碓不只雍州地区广泛应用，在其他各地也有推广，凡是有水源的地方都使用了这种粮食加工机械。当时，为解决数量庞大的军粮供应问题，官府特别设立了以水碓为动力的粮食加工作坊。可以说，水碓的发明和使用对当时社会生产生活的影响是非常大的。水碓还应用于其他的手工业生产中，并一直沿用到近现代。
翻车、渴乌是两汉时期发明的提水灌溉工具，它们属于链式传动机械装置，通过人力或水力将井中或水库的水抽取上来。《后汉书•张让列传》记载：掖庭令毕岚“又作翻车、渴乌，施于桥西，用洒南北郊路，以省百姓洒道之费。”章怀太子注释曰：“翻车，设机车以引水。渴乌为曲筒，以气引水上也。”由此可知，翻车属于机械传动装置，从后代的翻车形制，可知渴乌是置于不断转动的大轮上的数个竹筒，“机车”转动时，可将水不断提取上来。翻车、渴乌最先用于提水洒道，用于灌溉则是以后的事了。翻车的转动链在当时是一种竹木质的链状物，转动用的金属链至今未见。
翻车这种链式转动机械的功能明显优于靠人力提水的桔槔，所以一经应用于农业生产中，就大大地提高了生产效率。在距今一千八百年前的那个时代，这是一项了不起的伟大发明。
浑天仪、地动仪和候风仪
东汉时期，我国科学家根据齿轮转动装置制造了浑天仪、地动仪、候风仪等天文观测仪器。当时，“浑天说”理论比较成熟，成为了中国天文学界的主要学说，该学说认为天地是个球形，天大地小，所以天包于地外，天地都浮于水中。天不下坠，是由于中间充满着气体；地不下浮，是由于水有悬浮的功能。张衡认为天地之体如鸟卵，周旋无端，其形浑浑然。他著有《灵宪》和《算罔论》，并由此制成浑天仪。
从后世的记载来看，浑天仪是利用水力推动的天体模型。《后汉书•张衡传》说：“衡善机巧，尤致思于天文，阴阳历算。……遂乃研覈阴阳，妙尽璇玑之正，作浑天仪。”《晋书•天文志》载有浑天仪的结构与形制：“张平子（张衡，字平子）即作铜浑天仪，于秘室中以漏水转之，令伺之者闭户而唱之。其伺之者以告灵台之观天者，曰璇玑所加，某星始见，某星已中，某星已没，皆如合符也。”由此可知，浑天仪以漏水驱动浑象原理进行天文测量，并通过齿轮传动系统显示时辰日子；浑天仪上所记星宿，是以往中国天文家和张衡自己所观测到的天体。显然，这是世界上最早的以水力为动力的齿轮传动机械。
东汉阳嘉元年（公元132年），张衡制造了世界上最早的测定地震的仪器——地动仪，其结构、形制、工作原理在《后汉书•张衡传》中记载如下：“以精铜铸成，员径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱，旁行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无机。如有地动，尊则振龙机发吐丸，而蟾蜍衔之。振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙发机，而七首不动，寻其方面，乃知震之所在。验之以事，合契若神。自书典所记，未之有也。”由记载可知，张衡所造的地动仪由精铜铸成，其内部结构精巧，从其精密性上推测，它应当是用铜或钢铁金属制成的精密齿轮传动装置。地动仪中为一“都柱”，相当于一倒立的震摆，周围按八个方向装置八组机械装置，上设口含铜珠的龙头，龙头下各有一只蛤蟆张口向上。一旦发生地震，“都柱”便会因震动失去平衡而触发地震方向的机关，该向的龙口即张开，使铜珠落入蛤蟆口中，而发出大的声响，观测者即可知何方发生地震。它的精密性与准确性，在当时的一次地震中就得到了检验。据《后汉书•张衡传》记载，“尝一龙机发而地不觉动，京师学者咸怪其无征。后数日驿至，果地震陇西，于是皆服其妙。”这架地震仪的出现，比西方早了大约1700年，所以李约瑟将其称为“地震仪”的鼻祖。
据《三辅黄图》所载，在西汉长安灵台上安装有“向风乌”和“铜凤凰”。铜乌遇风即动，用来观测风向风速，或作为皇帝大驾出祀的装饰。该书还记载长安城建章宫南有玉堂，台高30丈，铸铜凤高5尺，外边装饰黄金，立于屋上，下有转枢，向着风就飞翔。可以说，金凤是我国最早的旋转型风向仪。
张衡还制造了测量风向风速的仪器——候风仪，又称相风铜乌，西方12世纪时制造出的候风仪，其结构与之十分相似。需要指出的是，范晔因为不知道候风仪与地动仪为两种仪器，故在《后汉书•张衡传》中将张衡的两项发明连写成了“候风地动仪”，以致后人误将张衡发明的地动仪称之为“候风地动仪”。《北史•艺术上信都芳传》记载，北魏人信都芳“又聚浑天、敧器、地动、铜乌、漏刻、候风诸巧事、并图画为《器准》”。其中的“铜鸟”、“候风”，即是候风仪一类的仪器。北魏离汉不远，时人能够读到汉代的著作，魏人明确地将地动仪与候风仪分开记录，可知范晔的记载有错误之处。