鐵路與火車的誕生

鐵路起源于16世紀，當時歐洲各國的礦主們使用馬匹拉動馬車，沿由橫木縱向排列的軌道運送貨物。隨著蒸汽機車頭逐漸代替馬匹，鐵軌逐漸代替木軌，鐵路誕生了。

早在1556年，德國科學家格奧格烏斯·阿格里科拉（1494～1555年）就描述了建在橫木上的礦井鐵路系統。17世紀末期，英國米德蘭地區的煤礦使用馬匹拉著空車廂沿著斜面爬出礦井，隨后利用重力將裝滿礦物的車廂沿著軌道滑到礦底。18世紀初期，隨著亞伯拉罕·達比（約1678～1717年）開始制造廉價的鑄鐵，更為堅固的鑄鐵鐵軌也開始應用。

大事記

1803年 特里維希克機車問世

1825年 斯托克頓-達靈頓鐵路竣工

1830年 利物浦-曼徹斯特鐵路竣工

1830年 巴爾的摩-俄亥俄鐵路竣工

1831年 南卡羅萊納鐵路竣工

1803年，英國工程師理查德·特里維希克（1771～1833年）建造了人類歷史上首臺蒸汽機車頭。它在潘·戴倫鋼鐵廠與南威爾士格拉摩根郡運河之間長約16千米的鑄鐵鐵軌上來回行駛。當時，特里維希克機車采用無凸緣鐵輪作為車輪，因此在鐵軌外側加鑄了凸緣，防止機車出軌。4年后，他又在倫敦北部尤斯頓地區修建了一條環行鐵路，人們只需付1先令便可乘坐“誰能追上我號”繞行一圈。

1825年，喬治·史蒂芬森（1781～1848年）主持修建的斯托克頓-達靈頓鐵路竣工通車，成為人類歷史上第一條貨運客運兩用鐵路，全長42千米。但在1833年之前，該鐵路的客運車廂仍舊使用馬匹牽引，只有貨運車廂才由蒸汽機車牽引。1830年，第一條城際鐵路——利物浦-曼徹斯特鐵路竣工，由史蒂芬森設計的“火箭號”機車牽引。該路線主要用于將利物浦港口的棉花運送到英國西北部城市曼徹斯特的加工廠，盡管線路必須經過一片廣闊的沼澤地，但是史蒂芬森（同樣是該鐵路的主要設計建造者之一）通過在沼澤地鐵軌下部鋪設緊密欄木的方法，攻克了這一巨大的障礙。

除了英國，修建鐵路的浪潮也席卷其他歐美國家。1830年，巴爾的摩-俄亥俄鐵路竣工通車，最初全長僅21千米，由巴爾的摩出發，到達埃里考特城的制造廠，為此，美國工程師皮特·庫珀（1791～1883年）專門設計建造了第一臺火車頭“湯姆·薩姆號”。1831年，費城-哥倫比亞鐵路竣工通車，不過最初仍以馬匹作為動力牽引車廂，3年后才開始使用蒸汽機車頭作為動力牽引機車。1831年竣工的南卡羅萊納鐵路成為當時世界上最長的鐵路，從查爾斯頓出發到漢博格，全長共248千米。

1832年，法國第一條蒸汽牽引機車鐵路竣工，位于圣埃蒂安與里昂之間。1835年，連接紐倫堡與弗斯的德國首條蒸汽鐵路由英國工程師羅伯特·史蒂芬森（1803～1859年）主持修建，后者也為此鐵路專門設計建造了“老鷹號”蒸汽牽引機車。1840年，奧地利、愛爾蘭以及荷蘭同時修建了鐵路。由于新興鐵路的出現，駁船逐漸退出歷史舞臺，諸多的運河也終因年久失修而慢慢失去作用。

同蒸汽機車、車廂一樣，鐵路軌道也需要其他設備以維護線路安全。最初的鐵軌由鑄鐵鑄造而成，在鐵軌兩側鑄以豎起的直角凸緣以防脫軌。不久，人們不再使用帶凸緣的鐵軌，轉而將凸緣置于車輪之上，并采用“魚腹式”鐵軌，即鐵軌剖面中部加厚，使得鐵軌承重力更強。但是鑄鐵軌道唯一的不足之處便是易碎，經常破裂。1858年，英國煉鋼工人亨利·貝西默（1813～1898年）發明煉鋼工藝后，鑄鐵軌道逐漸被鋼質軌道所替代。

為了幫助機車進入站線以及支線鐵路，鐵路系統引入道岔裝置，該裝置最初是由英國工程師威廉·約瑟普（1745～1814年）于1789年為原始電車軌道系統設計。隨著越來越多的火車在鐵軌上通行，工程師發明了鐵路信號系統，它們呈盤裝或臂裝，能夠翻轉，同臂板信號機類似。1849年，紐約&伊犁公司引入區間閉塞信號系統，這一系統能夠確保在前一列火車離開某區間之后才能允許下一列火車進站。隨后，閉塞信號系統也實現了電氣化。