到 1660 年，英国纽卡司安坦矿山才首先开始将
石轨改为木轨。以后，英国人发明了蒸汽机这样一种全新的动力，很自然地
想到了用它来代替马。所以在随后开始的工业革命中，英国人首先发明实用
的机车并将它投入商业运营，这一点也不奇怪。
史蒂芬逊与火车

人类的聪明才智和不懈的努力使得人类得以不断地发明创造新东西来弥
补旧东西的缺陷。17 世纪，人们用木轨代替石轨，为弥补木轨容易磨损的缺
陷，人们又发明了铁轨。铁轨的发明，得益于一个偶然的机会。1767 年，英
法殖民战争结束后，由于军需锐减，使得铁价猛跌。一家生铁公司的老板想
把铁贮存起来等价格上涨以后再卖。他的聪明的女婿想了个办法，把铁铸成
条状铺在工厂的路面上。后来大家发现车辆在这上面行驶格外地省力，于是
便萌发了造铁轨的念头。
如果没有铁轨以及后来出现的钢轨，那么沉重的蒸汽机车在什么东西上
行驶就是个问题了。因为木轨恐怕承受不了它那笨重的身躯。

我们知道，自瓦特于 1765 年发明了改进的蒸汽机后，英 国首先开始了工
业革命。蒸汽机被广泛地用于各种场合。但是，蒸汽机与“轨道上的马车”
结合则是 19 世纪初的事。在为此做出努力的众多的先驱当中，特别值得一提
的是英国人特里维西克和史蒂芬逊。
现在人们都知道：史蒂芬逊是蒸汽机车之父，而很少提到特里维西克。
但事实上，在史蒂芬逊之前，特里维西克就制造了蒸汽机车，虽然还没有达
到实用的水平，但他的工作对于别的从事这方面的工作的人不无启发。而且
还对蒸汽机做了重大改进。
最早的蒸汽机车，往往机身过大，推力太小，要爬陡坡时往往要几台机
车推动。因为这些机车所用的蒸汽机是利用蒸汽冷凝后产生的真空来推动活
塞的。特里维西克将它改为交替在活塞两边注入高压蒸汽来推动活塞，从而
使得推力大为增加。尽管如此，特里维西克总是不走运。他在 1801 年制造的
第一辆蒸汽机车在带着朋友去兜风时，中途停靠在一家饭店附近。在他吃饭
时，锅炉的水烧干后引起的大火将饭店和机车烧了个精光。在 1804 年，他取
得了小小的成功；他的机车载着 10 吨铁矿和 70 个人成功地以 8 千米的时速
运行了。但是这个速度太慢。在 1808 年，他又在伦敦的博览会上开着机车在
圆形轨道上做了载客表演。但仍未获得成功。后来有了史蒂芬逊的辉煌的成
功，他就更默默无闻了，直到 20 多年后他死于极度的贫困。
如果说特里维西克是失败的英雄的话，那么史蒂芬逊就是成功的骄子。
虽然他的道路并不平坦。
史蒂芬逊从小没上过学，14 岁即随父亲在煤矿做工。但他勤奋自学，甚
至不惜步行 1000 多里到瓦特的故乡去工作，以便弄清蒸汽机的构造和原理。
他潜心研究多年，其间有成功的喜悦，也有失败的痛苦。终于在 1814 年设计
制造了能实用的蒸汽机车。机车的车轮采用了杰索普发明的和轨道搭配的内
侧带轮缘的铁轮。但这辆车并不是很成功；车速太慢，噪声很大，加上烟囱
冒火。所以乘客往往“全副武装”；将头和脸蒙上，以免烧伤。史蒂芬逊也
因此遭到一些人的嘲笑。但他顶住了压力，继续执着于研制他的机车。终于
写下了蒸汽机车时代辉煌的第一页。
1825 年 9 月 27 日，当乔治·史蒂芬逊驾驶着他的“动力”号驶离达林
顿车站时，车站的观众心情无法平静。他们期望这次全长 19 千米的行程一帆
风顺，但谁也无法预料这载着 600 名乘客和大批货物的机车第一次行驶会发
生什么意外。3 小时后，当“动力”号顺利到达目的地斯克顿时，整个城市
沸腾了。人群的欢呼声、礼炮声、乐队的演奏以及教堂的钟声响成一片。标
志着一个新的时代开始的全新的交通工具就这样诞生了。从此以后，陆地运
输转入以铁路运输为主的时代。史蒂芬逊并没有停止前进。他和他的儿子罗
伯特研制的“火箭”号在 4 年后的从利物浦到曼彻斯的悬赏比赛中，以其高
速度、强牵引力和稳定的性能一举夺魁。史蒂芬逊和他研制的机车也载入了
史册。
列车的飞速变化

自史蒂芬逊后，蒸汽机车迎来了它的辉煌时期。在它的诞生地英国自是
不必说了。在其他地方，蒸汽机车也得到了飞速发展。特别值得一提的是美
国。
我们知道：美国是个年轻的移民国家。美国人似乎永远朝气蓬勃，对新

生事物永远充满浓厚的兴趣，而且特别喜好创新和冒险。当蒸汽机车从欧洲
传入幅员辽阔的北美大陆后，新的铁路公司如雨后春笋般一家家建起来。铁
路开始像蛛网一样布满美洲大陆。到 1836 年时长度已达 2036 千米。同年英
国才只有 720 千米。到 1860 年时，美国的铁路长度竟达到 4800 千米，24 年
翻了一番。同时，美国人并不是在简单地模仿。他们给机车的司机室装上了
顶棚和四壁，并装上了汽笛这种类似于汽车喇叭的东西。最重要的是他们发
明了转向架。我们可以设想一下：当所带货物增加时，车轮必然增加，若没
有转盘，在转弯时机车很容易出轨。有了这个转盘，机车便可拖上长长的车
厢像蛇一样灵活地在铁路上行驶了。在美国，还出现过一种地地道道的“美
式机车”。这种机车的前端装有像推土机的铲子一样的排障器，用以排除横
在铁路上的过去在美洲大陆常见的野牛一类的动物。
到 19 世纪末，蒸汽机车的发展到了顶峰。尽管人们不断地努力改进，但
蒸汽机车本身功率小，热效率低，而且蒸汽机车的速度达到每小时 80～100
千米后再也难以提高了。这也就意味着它该被新的机车淘汰了。实际上，没
有什么东西能够永远辉煌。当它发展到顶峰时，也就意味着它快被淘汰了。
当 20 世纪到来的时候，蒸汽机车便逐渐完成了它的历史使命，以它的慢速度
向博物馆开去了。而铁路运输开始了电力机车和内燃机车的新时代。
事实上，最早的电力机车和内燃机车都出现在上个世纪。电力机车先于
内燃机车。说到德国的西门子公司，恐怕很多人都知道。这是一家历史悠久、
世界闻名的公司。第一台电力机车就是由这家公司和哈尔斯公司在 1879 年 5
月制成并展出的。因为是试验展览性的，所以轨道做成椭圆形，长只有大约
300 米，由电压为 150 伏的直流电通过中间第三轨供 2 台 2000 瓦的直流电动
机驱动机车。以后这两家公司又进行了许多新的努力。在美国，大发明家爱
迪生也曾致力于这方面的研究。但是，找到安全有效的供电方式的是法国人。
他们采取的办法是架空导线供电，就像我们现在看到的无轨电车一样。有了
这样的架空线，就可以安全地提高供电电压和功率了。另外，由于对交流电
研究的深入，用交流电来牵引机车也成为令人感兴趣的问题。
电力机车真正进入实用阶段是 20 世纪的事。1903 年，德国人用西门子
公司和美国通用电气公司联合制造的三相交流电动机，在 23 千米长的电气化
铁路上创造了时速 200 千米的记录。从此，电力机车的许多优于蒸汽机车的
地方逐渐显露出来。我们知道，蒸汽机车烧煤，所以它必须带上足够数量的
沉重的煤作为燃料，这就使得它的有效载荷变小了许多。同时，还得有专人
不断地往炉子里加煤，这可不是什么好差事。此外，燃烧煤产生大量的浓烟，
它只能把燃烧的煤的热能的 5％用到牵引机车上。而发电厂则可把大约 30％
的热能转化为电能，且电能传输只需沿铁路架设导线即可。这就使得机车不
必把大量的载荷用于载煤。更重要的是：电力机车更容易提高功率。正是由
于这些原因，电力机车得到了长足的发展。
但十全十美是不可能的，电力机车的地上设施花费太高，如果某条铁路
线并不繁忙的话，用电力机车就显得不经济。这正好可由内燃机车来弥补。
自德国人鲁道夫·狄塞尔于 1892 年发明柴油机后，德国人首先于 1894
年造出了世界上第一台内燃机车。而内燃机车真正地进入实用则是本世纪 20
年代以后的事了。
柴油机车具有先天的优越性。它的造价虽然比蒸汽机车贵了一倍，但运
行费用却是蒸汽机车的 40％，重要的是：它既节能又可将功率做得很大。比

如美国通用汽车公司在 1969 年造的 DDA40X 型内燃机车，牵引功率达到 6600
马力。而且我们还知道：携带柴油机比携带同等重量的煤方便而且行驶的距
离要长得多。同时，烧柴油比烧煤的工作环境干净得多。正是由于这些先天
的优越性，所以内燃机车一旦投入使用，便显示出强大的生命力和明显的优
势。世界各国竞相使铁路牵引动力内燃机化。在这方面走在前面而且做得最
好的是美国。美国在 1925 年出现了第一台正式使用的内燃机车，这辆车直到
1957 年才进博物馆。二战后，由于油价低，而且战争使得内燃机工业得到空
前的发展，美国人利用这个机会迅速实现了内燃机化。到 60 年代初，蒸汽机
车已被淘汰。还出现了一种用柴油机驱动发电机使机车运行的机车。在美国，
这种长途列车是最经济的。与此同时，英国等国也积极实现内燃机化，到 1962
年，英国便停止生产蒸汽机车了。
我国自 1881 年制造出第一台蒸汽机车“龙”号后，铁路运输虽然有不小
的发展，但与其他国家相比，差得太远了。到 1958 年才由大连机车车辆厂制
造出第一台“东风”型内燃机车。直到前几年，才将最后一台蒸汽机车开进
博物馆。而我国的第一台在铁路干线上运行的电力机车是 1958 年制造的“韶
山—Ⅰ”型。
今天在世界各地的铁路上基本上看不到那种冒着浓浓的黑烟的蒸汽机车
了。常见的有内燃机车、电力机车和高速列车等。
高速列车

史蒂芬逊父子在 1830 年制造的“火箭”号空载以接近 50 千米的时速行
驶，就已使当时的人们感到惊讶了，与今天世界上一些发达国家的高速列车
相比，时速 50 千米简直不值一提。今天，著名的高速列车如法国的 TGV、日
本的“子弹”火车，以及德国从 1991 年 6 月 2 日正式投入营运的 ICE，速度
都在每小时 250 千米以上。而正在发展中的高速列车特别是磁悬浮列车，时
速将超过 400 千米。
但是，我们说过，速度的提高并不是件轻易而举的事。从“火箭”号到
今天的高速列车，速度提高了好几倍，营运的安全性和舒适性也大大提高了。
所有这些提高都是建立在许多人的冥思苦想和勤奋工作的基础上的。正是这
些人的不懈的努力改进了从铁轨到机车制造的每一部分，并积极探索全新的
铁路和机车，才有了今天的高速、舒适的高速列车和处于实验阶段的磁悬浮
列车。回顾这个过程，人们往往会情不自禁地对那些杰出的科学家和工程师
们表示钦佩。
首先，铁轨的建造就不容易。钢轨做成什么样的形状好？两条钢轨间的
距离多大？是否整条铁路就用两条完整的钢轨？
摩托车手在比赛转弯时，会将车身向弯道内侧大幅度倾斜，几乎贴着地
面。我们知道：这样做是因为车速太快，转弯时离心力太大，如果不倾斜，
会连人带车都冲出跑道。高速行驶的列车也会碰到同样的问题。常见的解决
办法是将弯道外轨垫高。据计算：当转弯半径为 250 米时，外轨道超过内轨
150 毫米，对通过该处的列车的时速限制为 95～103 千米。列车时速不能低
于下限，否则会压坏内轨。103 千米的时速显然不能算高速，但如果外轨继
续垫高，则下限速度变大，某些速度慢的车在此不能通过。为了解决这个矛
盾，科学家和工程师将高速列车的车身设计成可自动倾斜的。其倾斜程度由
一套灵敏的控制系统根据转弯半径和车速而定。有了这种自动调节装置，乘

客在转弯处就不再有要被甩出去的感觉了。当从转弯处进入直线段时会自动
恢复，看起来整个车身在摆动。常被称为摇摆式列车。
以上那些改进，都是为了提高机车的速度和安全性。但如果想继续提高
列车的速度就会遇到严重的障碍：一般有车轮的机车是借助轮轨间的粘着力
运行。当车速不断提高时，粘着力会减少，而车身受到的空气阻力越来越大。
当车速达到一定值时，空气阻力会大于粘着力。这样，无论怎样增大牵引力
也不能提高车速了。但科学家和工程师干脆将车轮去掉。这样的想法可能一
般人难以想象，没车轮的列车怎么行驶？但无轮的列车不仅可以行驶，而且
行驶的速度更快、更平稳。当然，要做到这一点并不容易。
去掉车轮，使机车悬浮在轨道上，这就成了所谓悬浮列车。通常有两种
办法做到这点：一种是利用压缩空气在车底面与导轨之间形成空气层（又称
气垫）。这种机车用燃气轮机车或线性感应电动机来驱动。法国在 60 年代曾
多次试验过气垫车，其中有的时速达到 422 千米（指最高时速）。英美等国
也都进行过这方面的努力。
另一种使列车悬浮起来的办法就是利用电磁铁的相吸和相斥的原理。若
用的是常导电磁铁，则将导轨做成 T 形。利用磁铁吸引钢板的原理，通过控
制电磁铁中的电流来调节电磁铁和导轨间的距离为 10～15 毫米。机车的运行
是靠感应线性电动机来驱动的。
自从 1911 年昂尼斯发现超导现象以来，人们对超导的研究越来越深入。
同时，将超导体用于磁悬浮列车的研究也越来越受到人们的重视。因为利用
超导体可以获得极强的磁场，而消耗的电能却极少。其基本原理是这样的：
在列车的相当于车轮的部分安装上超导磁体，这个磁体产生很强的磁场。而
轨道用金属做成许多闭合回路。当用线性电动机驱动列车运行时，回路切割
磁力线产生感生电流从而产生与上面所说的磁场极性相反的磁场，因而形成
极大的排斥力将列车浮起来。通常悬浮的高度是 10～20 毫米。所谓直线电动
机是这样的：在轨道上装上两排线圈相当于同步电机的“定子”，而列车上
对应的线圈则相当于“转子”。轨道上“定子”中的输入电流可通过计数控
制来调节列车的速度。车体两旁装有如同飞机的起落架一样的辅助橡皮车
轮，用于列车的启动和停车。这样的列车速度高，稳定性好，噪音小，所以
许多国家都在积极研制。特别是德国。早在 1979 年，在汉堡国际交通运输博
览会上，德国首次展出了磁悬浮列车并做了运行表演，人们第一次领略到了
磁悬浮列车的快速、低噪、平稳的优点。最近，为发展高速磁悬浮列车，德
国高速交通财团已着手成立新的联合公司，公司的近期目标是在汉堡—柏林
间修建时速达 400 千米的磁悬浮铁路，并计划在未来 10 年内投入商业运营，
届时两地之间的旅行时间将仅为 55 分钟。其他国家的高速列车的研制也没停
止。日本的新干线正向时速 350 千米进军。而法国正发展时速 300 千米的第
三代 TGV 双层客车，到 1998 年末预订的 100 列可全部投入使用。