铁路与火车的诞生

铁路起源于16世纪，当时欧洲各国的矿主们使用马匹拉动马车，沿由横木纵向排列的轨道运送货物。随着蒸汽机车头逐渐代替马匹，铁轨逐渐代替木轨，铁路诞生了。

早在1556年，德国科学家格奥格乌斯·阿格里科拉（1494～1555年）就描述了建在横木上的矿井铁路系统。17世纪末期，英国米德兰地区的煤矿使用马匹拉着空车厢沿着斜面爬出矿井，随后利用重力将装满矿物的车厢沿着轨道滑到矿底。18世纪初期，随着亚伯拉罕·达比（约1678～1717年）开始制造廉价的铸铁，更为坚固的铸铁铁轨也开始应用。

大事记

1803年 特里维希克机车问世

1825年 斯托克顿-达灵顿铁路竣工

1830年 利物浦-曼彻斯特铁路竣工

1830年 巴尔的摩-俄亥俄铁路竣工

1831年 南卡罗莱纳铁路竣工

1803年，理查德·特里维希克建造的蒸汽机车成为首辆采用铁轮并行驶在铁轨上的机车。尽管机车车头动力设备采用轻型引擎，却能够输出很高的蒸汽压力，当时高于所有其他的蒸汽机。

1803年，英国工程师理查德·特里维希克（1771～1833年）建造了人类历史上首台蒸汽机车头。它在潘·戴伦钢铁厂与南威尔士格拉摩根郡运河之间长约16千米的铸铁铁轨上来回行驶。当时，特里维希克机车采用无凸缘铁轮作为车轮，因此在铁轨外侧加铸了凸缘，防止机车出轨。4年后，他又在伦敦北部尤斯顿地区修建了一条环行铁路，人们只需付1先令便可乘坐“谁能追上我号”绕行一圈。

1830年，美国工程师皮特·库珀（1791～1883年）设计建造了美国第一台蒸汽铁路机车“汤姆·萨姆号”。该机车能够以每小时8～30千米的速度拉动数节火车车厢行驶。

1825年，乔治·史蒂芬森（1781～1848年）主持修建的斯托克顿-达灵顿铁路竣工通车，成为人类历史上第一条货运客运两用铁路，全长42千米。但在1833年之前，该铁路的客运车厢仍旧使用马匹牵引，只有货运车厢才由蒸汽机车牵引。1830年，第一条城际铁路——利物浦-曼彻斯特铁路竣工，由史蒂芬森设计的“火箭号”机车牵引。该路线主要用于将利物浦港口的棉花运送到英国西北部城市曼彻斯特的加工厂，尽管线路必须经过一片广阔的沼泽地，但是史蒂芬森（同样是该铁路的主要设计建造者之一）通过在沼泽地铁轨下部铺设紧密栏木的方法，攻克了这一巨大的障碍。

为了吸引众人的兴趣，特里维希克在伦敦北部尤斯顿地区的开阔地上修建了一条环行铁路，人们只需付1先令即可乘上火车绕行一圈，该火车车头有一个非常贴切的名字“谁能追上我号”。

除了英国，修建铁路的浪潮也席卷其他欧美国家。1830年，巴尔的摩-俄亥俄铁路竣工通车，最初全长仅21千米，由巴尔的摩出发，到达埃里考特城的制造厂，为此，美国工程师皮特·库珀（1791～1883年）专门设计建造了第一台火车头“汤姆·萨姆号”。1831年，费城-哥伦比亚铁路竣工通车，不过最初仍以马匹作为动力牵引车厢，3年后才开始使用蒸汽机车头作为动力牵引机车。1831年竣工的南卡罗莱纳铁路成为当时世界上最长的铁路，从查尔斯顿出发到汉博格，全长共248千米。

利物浦-曼彻斯特铁路既是货运铁路也是客运铁路。以下为两幅1831年的插图，上图描绘了“利物浦号”车头拉动混合货物车厢行驶的场景，下图则绘制了“夫瑞号”牲畜运输机车奔跑的景象。

1832年，法国第一条蒸汽牵引机车铁路竣工，位于圣埃蒂安与里昂之间。1835年，连接纽伦堡与弗斯的德国首条蒸汽铁路由英国工程师罗伯特·史蒂芬森（1803～1859年）主持修建，后者也为此铁路专门设计建造了“老鹰号”蒸汽牵引机车。1840年，奥地利、爱尔兰以及荷兰同时修建了铁路。由于新兴铁路的出现，驳船逐渐退出历史舞台，诸多的运河也终因年久失修而慢慢失去作用。

同蒸汽机车、车厢一样，铁路轨道也需要其他设备以维护线路安全。最初的铁轨由铸铁铸造而成，在铁轨两侧铸以竖起的直角凸缘以防脱轨。不久，人们不再使用带凸缘的铁轨，转而将凸缘置于车轮之上，并采用“鱼腹式”铁轨，即铁轨剖面中部加厚，使得铁轨承重力更强。但是铸铁轨道唯一的不足之处便是易碎，经常破裂。1858年，英国炼钢工人亨利·贝西默（1813～1898年）发明炼钢工艺后，铸铁轨道逐渐被钢质轨道所替代。

为了帮助机车进入站线以及支线铁路，铁路系统引入道岔装置，该装置最初是由英国工程师威廉·约瑟普（1745～1814年）于1789年为原始电车轨道系统设计。随着越来越多的火车在铁轨上通行，工程师发明了铁路信号系统，它们呈盘装或臂装，能够翻转，同臂板信号机类似。1849年，纽约&伊犁公司引入区间闭塞信号系统，这一系统能够确保在前一列火车离开某区间之后才能允许下一列火车进站。随后，闭塞信号系统也实现了电气化。