蒸気について
何世紀にもわたって、人間は熱や水の機械的な力を利用しようと試みてきました。 紀元前200年頃、アレキサンドリアの英雄は『Pneumatica』の中で「Aeolipile」と呼ばれる装置を記述していますが、これが最初の蒸気機関と考えられています。 釜の上に水の入った球を置き、加熱すると2本の曲がった管から蒸気が噴出し、球が回転するというものである。 その後、水力学、空気圧学、気体の性質などを研究した科学者たちによって、このような装置が数多く考案されましたが、これらの装置は実際の仕事をするものではありませんでした。 18世紀のイギリスで蒸気機関が登場し、産業のあり方だけでなく、人間の仕事や社会との関係を大きく変えることになったのである。
水を沸騰させて蒸気を作り、シリンダー内のピストンを押し上げます。 ピストンロッドは横木に取り付けられており、ピストンが上昇すると、横木の反対側の端に吊るされたポンプロッドの重さが下に引っ張られます。 ピストンがシリンダーの最上部に到達すると、シリンダー内に水が噴射されて蒸気が凝縮し、ピストンが下に吸い込まれます。 冷却水が排出され、このサイクルが無限に繰り返されます。
1712年、トーマス・ニューコメンと助手のジョン・カリーが、実用的な蒸気機関を初めて発表しました。 ニューコメンの大気エンジンは、蒸気でポンプを動かすものでした。
18世紀後半、蒸気機関の父と呼ばれるジェームズ・ワットは、ピストンの両側に高圧の蒸気を使って出力を2倍にする「複動式」エンジンの特許を取得し、固定式エンジンの効率を大幅に向上させました。 彼の特許には、圧力計、スロットルバルブ、蒸気調整器などの付帯装置も含まれていた。 ワットは、メーカーのマシュー・ボールトンと協力して、その改良と発明により産業革命を起こした。
ワットの改良に続いて、多くの発明家が蒸気機関を陸と水の両方の輸送手段に適用しようとした。
ワットの改良に続いて、多くの発明家が蒸気機関を陸上と水上の輸送手段に適用しようとしました。
Trevithick’s Tramroad Locomotive
1802年、リチャード・トレヴィシックは「高圧エンジン」の特許を取得し、レール上で動く最初の蒸気機関車を作りました。 1804年2月21日、高圧トラムエンジンの試運転を終えたトレヴィシックは、「10トンの鉄、5台の荷車、70人の兵士を4時間5分で9マイル以上運んだ」と記しています。 この旅は退屈なものでしたが、人間の時間と空間の関係を根本的に変える発明の第一歩でした。
ジョージ・ステファンソンは、息子のロバートとともに、実用的な蒸気機関車を初めて製作しました。 ステファンソンは、1814年に「トラベリング・エンジン」を製作し、キリングワース鉱山の石炭運搬に使用しました。 1829年、ステファンソン夫妻は有名な機関車「ロケット」を製作した。この機関車は、歴代の蒸気機関に採用されている多管式ボイラーを使用していた。 ロケット号は、レールに沿って貨車を移動させるには、滑車方式の固定式蒸気機関と機関車用蒸気機関のどちらが良いかという問題を解決するために開催されたレインヒル・トライアルで優勝した。 ロケットは、平均時速13マイル（荷物を引いていない状態では最高時速29マイル）で、ブレイスウェイト＆エリクソンの「ノベルティ」やティモシー・ハックワースの「サンパレイユ」を抑えて、500ポンドの賞金を獲得した。 スティーブンソン夫妻のエンジンには、後世の蒸気機関に使われる要素が組み込まれていました。
ステファンソンの特許機関車
アメリカの鉄道で最初に運行された機関車は、1828年にイギリスから輸入された「Stourbridge Lion」でした。
アメリカの鉄道で最初に走った機関車は、ニューヨークのホレイショ・アレン（Horatio Allen）が1828年にイギリスから輸入したストアーブリッジ・ライオン（Stourbridge Lion）でしたが、イギリスの機関車がアメリカの鉄道を支配するようになったのは、比較的軽くて凹凸の多いアメリカの線路に対して重すぎたからです。
アメリカの発明家や技術者はイギリスと平行して活動しており、1812年には早くもジョン・スティーブンスが議会に国有鉄道の支援を嘆願している。 また、1825年にはアメリカ初の蒸気機関車を製作している。 多管式のボイラーエンジンで、ニュージャージー州ホーボーケンの自宅敷地内に設けた円形のデモンストレーション用軌道を走った。
1830年に製造されたピーター・クーパーの「トム・サム」は、アメリカで初めて鉄道の客車を牽引した機関車です。
1830年に製造されたピーター・クーパーの「トム・サム」は、アメリカの鉄道で初めて客車を牽引した機関車です。
Best Friend of Charleston
アメリカの鉄道で初めて列車を牽引したのは、1831年のBest Friend of Charleston号です。 E.L.ミラーが設計し、ニューヨークで製造されたBest Friendは、約6ヶ月間運行しましたが、蒸気のヒューヒューという音に苛立った作業員が安全弁をなぎ倒してボイラーが爆発しました。
1831年には、マティアス・ボールドウィンがボールドウィン機関車製作所を設立した。
1831年には、マティアス・ボールドウィンがボールドウィン機関車製作所を設立し、2台目の蒸気機関車「E.L.ミラー」の原型を作りました。
最初の機関車は車輪が固定されており、直線的な線路では有効だったが、アメリカの山間部ではそうはいかなかった。
1832年にアメリカの土木技師ジョン・ジャービスが設計した「エクスペリメント」という機関車は、軌道に沿って回転する4輪のガイドトラック（ボギー）を備え、カーブのきつい鉄道でも走行できるようになっていました。
1867年のパリ万博のためにニュージャージー州パターソンのGrant Locomotive Worksが製造した19世紀半ばのアメリカの標準的な4-4-0機関車です。
「カウキャッチャー」と呼ばれる水先案内人は、アメリカの機関車に特有のものでした。 線路には柵がなく、動物と衝突して機関車が脱線した場合の損害は鉄道会社が責任を負うことになっていました。 1833年頃のジョン・ブル号は、アメリカで最初にこのような障害物を線路外に排除する装置を取り付けた機関車のひとつである。
機関車の構成は、先頭車、動輪、後続車の車輪の配置によっていくつかの種類に分けられる。
機関車の構成は、先頭車、動輪、後続車の車輪の配置によっていくつかに分類されるが、アメリカでは4-4-0（先頭車と動輪が4つずつ、後続車がない）の構成が主流で、アメリカン・スタンダードと呼ばれていた。
プロモントリー・サミットで出会ったセントラル・パシフィック社のジュピターとユニオン・パシフィック社のエンジンNo.119は、ともに4-4-0機関車であった。
アメリカの機関車は、高価な真鍮製の装飾が施され、人件費もイギリスより高かったが、多くの部品に錬鉄ではなく安価な鋳鉄を使用することで、コストを削減した。 アメリカの鉄道は、イギリスから輸入した機関車を使ってスタートしましたが、19世紀末には2900台以上の機関車を輸出する一大生産国となりました。
19世紀の蒸気機関車は、20世紀のコンピューターのような変革をもたらしたといっても過言ではありません。 ロバート・サーストンは、1878年に出版した蒸気機関の歴史に関する本の中で、「蒸気機関が人類に与えた恩恵を列挙しようとするのは余計なことである。