Расширение сети железных дорог, изменивших жизнь общества в XIX в., неразрывно связано с появлением и развитием парового локомотива – паровоза. Простейший локомотив был создан впервые в 1804 – г. английским изобретателем Ричардом Тревитиком (1771—1833).
Ранние рельсовые виды транспорта
Первые паровозы были созданы для нужд угольных шахт на севере Англии в 1813-1820 гг. В 1825 г. была открыта первая железная дорога общественного пользования Стоктон-Дарлингтон. Движение предполагалось обслуживать конной тягой, однако Джордж Стефенсон (1781-1848), один из конструкторов шахтных локомотивов, доказал, что паровоз перевозит более тяжелые грузы, чем лошади. Успех этой линии способствовал постройке железной дороги Ливерпуль-Манчестер. Последняя была открыта в 1830 г., несмотря на ожесточенное сопротивление землевладельцев, ломовых извозчиков, лодочников и просто консервативно настроенных людей, счтавших извергающие дым локомотивы исчадием ада. Для этой дороги многим паровозам предпочли «Ракету» Стефенсона. Она была невелика, относительно легка и не разрушала недостаточно прочных железных рельсов.
Постепенно котлы и цилиндры стали более прочными, а поршни – более точно обработанными и лучше прилегающими к стенкам цилиндров.
Почти сто лет все железнодорожные перевозки в мире обеспечивались паровозами. И хотя конструкция их не претерпела принципиальных изменений, размеры, мощность и скорость непрерывно росли. Большинство европейских железных дорог было сооружено с укладкой высококачественного тяжелого рельсового пути, способного пропускать 100-тонные паровозы со скоростью до 160 км/ч. Однако в США на начальном этапе и в большинстве других развивающихся стран пользовались более легкими рельсами и укладывали их хуже, стремясь удешевить строительство железнодорожной колеи. Это вызывало необходимость распределения массы локомотива на большее число колес. Типы локомотивов стали обозначать по числу колес: формула 4-6-2 означала, что локомотив имеет четыре направляющих, шесть ведущих и два опорных колеса. Скорости движения обычно не превышали 80 км/ч.
Расцвет паровозов приходится на 30-е гг. XX в. Европейские паровозы были нарядно выкрашены в цвета компаний, которым принадлежали; пассажирские составы развивали скорость до 160 км/ч. Американские паровозы строились более утилитарно.
Электровозы
Конкурентом паровой машине стали электродвигатели постоянного тока, нашедшие применение в городах (особенно на подземных ж. д.) благодаря отсутствию дыма. Первый электропоезд обслуживал Всемирную выставку 1879 г. в Берлине. Оказалось, что экономичнее строить гидроэлектрические станции, чем сжигать бурый уголь или дрова в топках. В результате железные дороги Норвегии и Швейцарии полностью перешли на электрическую тягу.
Сегодня электродвигатели линейного типа признаны наилучшими для тяги на железных дорогах. Но из-за очень высоких капиталовложений их применяют лишь на самых загруженных линиях. Еще в 1955 г. французские железнодорожники показали, что поезда на электрической тяге обычного типа могут двигаться со скоростью свыше 320 км/ч, однако средние скорости пассажирских поездов возрастают медленно. На линии Токио-Осака (Япония) достигнут резкий скачок скорости поездов, но эта линия была спроектирована и уложена специально для обеспечения столь высоких скоростей.
Тепловозы
Первые дизельные локомотивы и дрезины появились примерно в 1920 г. Воспламенение топлива в них происходит в результате разогрева рабочей смеси при ее сжатии в цилиндрах. Обычно шумные, дизельные двигатели быстрее разгоняются и преобразуют в полезную мощность 25-45% энергии сгорающего в них топлива (для паровых двигателей этот показатель не превышает 8%). Тепловозы постепенно вытеснили паровозы, и сегодня последние встречаются лишь кое-где в Африке и Азии. Дизельные двигатели легко запускаются, не расходуют топлива на остановках и способны работать в режиме, близком к режиму максимальной мощности, часами без присмотра и без аварии. Пробег многих тепловозов превышает 160 000 км в год, а их последние конструкции отличаются надежностью, эффективностью и скоростью.
Ведущие колеса тепловоза через механическую коробку передач, аналогичную коробке передач грузовика, могут изменять число оборотов лишь в небольших пределах. Поэтому чаще всего на них применяют гидравлическую или электрическую передачу. Гидравлическая передача представляет ряд масляных турбин высокого давления и способна передавать мощность 2000 л. с, плавно изменяя соотношение скоростей на входе и выходе. На дизельэлектровозах дизель приводит в движение генератор постоянного или переменного тока, который питает тяговые электродвигатели типа электродвигателей электровозов.