火车的今天既是它昨天漫长而曲折地演变过来的结果，也是火车奔向明天的坚实起点。但人们对未来的憧憬往往超过对过去的回顾。而对火车来讲，从火车、列车到“地上飞机”的演进，从缓慢、肮脏和不安全到高速或超高速、洁净舒适、安全便利的发展，应该是一个令人感兴趣的话题，因为这里面既体现了人类对理想生活的追求，也凝结着众多科学家和工程师们的智慧和汗水。
火车的诞生
火车，顾名思义，是以火力推动的车，这是铁路列车的俗称。尽管现在的火车已大多不再用火力驱动蒸汽机来牵引整列车的运行，但人们还是习惯地叫它“火车”。下面就来看看真正的“火”车是怎么来的。
在出现汽车和火车之前，陆路上的交通运输曾长期依靠人力车或畜力车如马车等，甚至19世纪以前的煤矿也大都用马车来运煤。
而早在16世纪，就有人在矿井里铺设木轨来使矿车更快地行驶。在最早发生工业革命的英国，在17世纪时使用和矿井中的木轨类似的木轨路，用马车将煤炭运到离矿井较远的煤仓。后来，人们为了延长木轨的寿命，就设法在木轨上包一层硬木，进而包上一层金属，到最后干脆直接用生铁铸造的铁轨代替木轨，但在上面奔跑的仍是马车或人力推动的车。由于路轨对车轮的阻力要比普通路面小得多，因而一匹马常常可以拉好几节车厢。这好几节车厢组成的车就是“列车”，但还只是“马车”而不是“火车”。
在17～18世纪，虽然蒸汽机已经发明出来、并在纺织业等广泛应用开来，但因其笨重、效率较低而不能用在列车上，即使是当时最先进的瓦特蒸汽机，也还是不适用于“列车”。
发明一种适用于“列车”的蒸汽机已经成了紧迫的需要。
历史刚刚进入19世纪，这样的蒸汽机以及由它驱动的“机车”就应运而生了。它的发明者是英国机械师理查德？特莱维西克。他为制造机车而特意发明了高压蒸汽机，充分利用了瓦特已经发现而未予应用的蒸汽膨胀的能量。1802-1803年间，他制造了世界上第一台蒸汽机车，之后不久他又造出了第二台蒸汽机车。1804年2月21日，这台处于试验运行之中的机车牵引着6吨重的列车（包括数节客车），以每小时8千米的速度行走在一条15千米长的铁路上，而在空载时可达20千米的时速。但是，这辆机车并没有取得预想的成功，因为，锅炉安装不当，机车震动较大，用生铁铸造的铁轨因很脆而经不起沉重的负载和冲击，竟然多处断裂。加之，这种机车消耗太大，经济效益差，甚至不如传统的马车。特莱维西克因此也就未在这方面继续努力而转向其他事业了。但应该铭记的是：世界上最早的铁道上运行的蒸汽机车正是他于1804-1808年间制造的原型机车及英国人赫德利于1813年制造的机车。
1812年，英国人布伦金索普设计制造了一辆机车，并最早开始成批生产，这种布伦金索普机车安装的仍是普通锅炉，所以速度仍然很慢，并且它是行走在有齿的轨道上。这种机车一制造出来，就开始投入商业运行。一直到1853年，才为新型的蒸汽机车所代替。
真正推动火车发展的是两位最主要的先驱者乔治？斯蒂芬孙和他的独生子罗伯特？斯蒂芬孙。乔治？斯蒂芬孙在少年时代就以做工谋生，成年后才开始读书。他学习异常勤奋，很快获得了一个机械师所应具备的知识。1814年，他制造了他的第一台机车，时速只有6.5千米。但他将蒸汽活塞的连杆与机车车轮直接相连，省去了毫无必要的飞轮和齿轮，充分利用了车轮和机车的惯性运动。这是机车制造上的一个重大改进。到1821年初，斯蒂芬孙担任从斯托克顿到达林顿的铁路工程师，将原来带异向凸缘的“钣轨”改造成适合于带凸缘车轮的机车的车辆形状简单的“边轨”。当他得知有人能轧制出3米长的熟铁铁轨后，就毅然选择了这种不易断裂的熟铁轨。颇为有趣的是，这条长40千米的铁轨建成后，既供机车使用，也供马车使用，而旅客们都愿乘马车。因为机车不仅噪音大，而且速度太慢，甚至还受到了马车夫的嘲笑。对斯蒂芬孙的这种机车，至今还流传着一个笑话，说他的机车因鸣叫声过大，在路过一座农民小院时，竟把农家的母鸡惊吓得不下蛋了，斯蒂芬孙因此而受到这家农民的控告。
但是，没有什么力量能够阻止机车的发展。1828年，乔治的儿子罗伯特？斯蒂芬孙设计制造了一种改进的机车，被誉为“火箭”号。在1829年的一次著名的试车中，它以每小时22千米的平均速度行驶了96千米，在满载乘客的情况下，它最快曾达到46千米的时速，空载时速不超过56千米，从而证明了蒸汽机车的巨大潜力。“火箭”号的成功依赖于两项关键技术：一是采用了1827年12月由法国人马克？塞甘发明的管式锅炉，它气压高、热效高而且轻便；二是将排出的废蒸汽用管道引到锅炉烟囱口排出，高速气流形成较大负压，使锅炉得到强有力的鼓风，燃烧效率大大增强。同时，“火箭”号的成功还标志着铁路运输事业的诞生，因为与蒸汽机车相比，马的奔跑速度通常为每小时46.8千米。可以说，斯蒂芬孙父子建造的这辆世界上第一台大蒸发量机车开辟了人类铁路运输的新纪元。其实，当时与“火箭”号进行比赛的还有“新奇”号和“桑士巴里”号，前者设计漂亮，但挂上车厢后，锅炉爆炸了。后者块头儿大，开动时轰轰隆隆，浓烟滚滚，不可一世，但走了约44千米，许多零件就掉落，汽缸也破损了。随后，便在1830年，在利物浦和曼彻斯特之间就铺设了世界上第一条完全靠蒸汽机车牵引行驶的铁路线。
机车制造的迅速发展
斯蒂芬孙父子并没有陶醉于“火箭”号的成功之中止步不前，而是继续探索，不断改进机车的结构和功能，力求使机车能在功率、速度和载荷量上满足日益增长的工业产品的运输需要。
1833年，斯蒂芬孙父子设计出了“专利获得者”号机车，与他们此前制造的机车相比，这辆机车在锅炉的胴体下面加装了一根车轴，这是为了保证安装了大容量锅炉而使机车自重增加后的行车安全而加装的，这就是三轴机车。“专利获得者”号的命名，是因为它的发明人为保护这一发明，已在1833年10月7日获得了专利证书。
父子俩还在不断努力。儿子罗伯特？斯蒂芬孙于1841年研制成了“长锅炉”号机车，也是在锅炉胴体下安装了三根轮轴：一根承重轴和两根驱动轴。与“专利获得者”号相比，这辆机车的烟管长度从前者的2.75米增加到4米，从而大大减少了热能的损失。但机车的前后轮的距离却因为要适合已有的铁路和众多的转车盘而没有变化。
受“长锅炉”号机车的启发，英国人托马斯？拉塞尔？克兰普顿根据自己研究出来的原理，决心制造出一台高速机车，并能克服“长锅炉”号的不足，即因火箱安装在悬臂梁上而降低了机车的稳定性。克兰普顿把一对动轮移到火箱下方，而在锅炉胴体下方仅保留两对车轮。
这样，1846年在比利时列日—那慕尔铁路线上，当他造出的克兰普顿机车投入运行时，就轻而易举地达到了100千米的时速。到1848年，应伦敦西北铁路公司的要求，他为伦敦—沃尔弗顿铁路线设计制造了一台超大型机车，时速达到了127千米。但遗憾的是，这台高速机车因很容易引起钢轨的疲劳而在运行不久就被迫“退役”。尽管如此，克兰普顿还是在欧洲大陆取得了巨大的成功。比利时把引进的两台原型克兰普顿机车作为样机，造出了多台蒸汽机车。在法国，克兰普顿机车曾经称霸于整个第二帝国时期，只是在后来出现了更大功率的机车之后，它才被逐渐淘汰。
此后，高速载重机车的制造便成了人们追求的重要目标。当时人们总认为高速机车的大直径车轮是不能互相连接的，因为这样会带来巨大的危险。法国人维克托？福尔格诺从1862年开始研究这一问题，终于找到了解决办法。他在轴箱里设计了一些倾斜平面，以便使前轴在铁路拐弯时产生位移，而在直线段恢复正常位置，这有效地避免了连杆和曲拐销发生断裂的危险。1864年，他制造出世界上第一台装有两副联动驱动轮对的高速机车。几年之后，福尔格诺又在火箱后方加装了一组承力轮对。这样，福尔格诺机车便获得了空前的成功。到1885年，行驶在各大铁路公司所属干线上的福尔格诺机车，已经有好几百辆了，尤其在法国西南部的巴黎—波尔多干线上，这种机车使列车达到了史无前例的高速度。
1875年，法国人阿纳托尔？马莱为巴约涔—比亚里茨铁路支线研制成世界上首批复胀蒸汽机车，这是一种适宜于低速行驶的牵引机车，根据双缸式蒸汽机的原理进行工作，具有更好的热效率。1881年，英国人韦布将马莱的这一成就用于高速机车，同样取得了成功。韦布的这辆“试验”号机车运行平稳，速度为每小时80～90千米，而耗煤量却比传统的机车降低了20%，达到了节约能量消耗的效果。
同时，提高蒸汽机车的功率和速度的研究在20世纪之初取得了可喜的成绩。1905年，人们在1872年就首次在美国密苏里太平洋铁路线上运营的“太平洋”号机车上，进行了重大改进，使它所产生的功率达到2200马力，机车的运行速度又有了很大的提高。
大约在1900年前后，一种叫做“大西洋”号的新型蒸汽机车出现在美国费城—大西洋城之间的铁路线上。之后，人们又不断对它加以改进。从1901年开始，欧洲各国开始采用这种功率为1500马力的机车，虽然在1905年，2200马力的“太平洋”号机车对它造成了很大冲击，但它还是赢得了巨大成功。在第二次世界大战前夕，法国巴黎—里昂—马赛铁路公司对它进行了流线型化改装，然后在巴黎—尼斯高速铁路线上继续运营。
在19世纪末，随着电气化技术的迅猛发展，电力得到了大规模的应用，把电力应用于机车的探索及铁路电气化也取得了令人瞩目的成就。世界上第一台电力机车是1895年在美国巴尔的摩—俄亥俄铁路线上开始运营的，这台机车重96吨，采用550伏特的直流电源供电。1901年，法国巴黎—残老军人院铁路线实现了电气化。第二年，这条电气化铁路延长到了凡尔赛。
1903年，巴黎市郊奥尔赛—巴黎—奥斯特利茨—儒维西铁路线也实现了电气化。在德国的措森—马林费尔德铁路上，一台电动机车于1902年就首次达到了200千米的时速。但是，由于电气化技术尚处于它的初级阶段，受到电厂功率和远距离输电技术的制约，铁路电气化并没有以理想的状态发展起来，人们仍在机车的制造上孜孜求索。
1912年，瑞士一家工厂制造出了世界上第一台柴油机车，这就是内燃机车，功率为1200马力，显然无法和当时的大功率蒸汽机车相比。在此之前，“汽车之父”——德国人戴姆勒已经造出了一辆柴油轨道车。只是当人们发现了将发动机和轮轴之间的机械传动改为电力传动的技术之后，传动更加猛烈的柴油机才被应用于列车的牵引。同年，由“大西洋”号原型机车改进而来的“大山”号蒸汽机车在美国正式投入运营，这是一种大功率高速机车，其功率为2700马力，自重112吨。从1930年起，“大山”号的多种改进型机车功率已达3200马力。在这期间，日本作为后起的工业化国家，也在机车制造上做出了优异成绩，其中的2-8-2日本天皇型机车，就是最优秀的货运机车。
铁轨的历史
最早的路轨并不是铁轨，也不是木轨。早在木轨之前，就出现了石轨。因为据史书记载，古代一些文明国家里，人们已经在道路上用石头砌出车辙，引导车轮前进。这种石轨直到中世纪才被逐渐废弃。而在1550年的史料中却发现了这样的记载，在法国阿尔萨斯地区勒贝尔塔尔煤矿使用木梁作矿车轨道。而在17世纪，木轨则被广泛应用于英国各地的煤矿之中。直到1738年，在英国的怀特黑文出现了钉有加强铁皮的木梁轨道。
世界上最早的铁轨是在1763-1768年间安装在英国霍斯贝和科尔布鲁克代尔之间的，据说这是英国工业家、一家铁厂主亚伯拉罕？达比的女婿理查德？雷诺兹的杰作。但是，它不同于我们今天所使用的铁轨，而是一种用来承受无轮缘车轮的凹形铸铁铁轨。
这一系列的车辆导轨系统演变的必然结果，就是制造出我们现在使用的凸形铁轨，它是英国人杰索普于1785年设计的。之后，凸形铁轨又经过不断改进而日臻完善。到1820年，约翰？伯金肖制造出了锻铁轨。当普遍采用了蒸汽机车之后，锻铁轨就让位于钢轨了。还应注意的是，我们现在多条线路交汇处使用的活动道岔技术也是杰索普的发明。在1665年前后，人们曾在凹形铁轨上使用过多种固定式交汇设备，这是由木轨交汇设备——转车盘演变而来的。
到1789年，杰索普发明了活动道岔设备，后来人们又在道岔手柄上加一配重，这使列车通过时，扳道员不必始终紧紧扳住手柄了。
在铁路建设史上，值得回味的还有这样两种铁路。一种是大气压力铁路，一种是有齿铁路。
前者的原理是由丹麦人梅德赫斯特1827年提出来的，他设想以大气压力作为车辆的原动力。
