Wszystko kręci się wokół pary.
Od wieków człowiek próbował okiełznać mechaniczną moc ciepła i wody. Już w 200 r. p.n.e., w swojej Pneumatica, Hero z Aleksandrii opisał urządzenie zwane Aeolipile, uważane za pierwszy zarejestrowany silnik parowy. Kula zawierająca wodę była umieszczona nad kociołkiem, a gdy ta się nagrzewała, dwie wystające wygięte rurki wystrzeliwały strumienie pary, powodując obrót kuli. W następnych stuleciach powstało wiele takich urządzeń, ponieważ naukowcy badali zasady hydrauliki, pneumatyki i właściwości gazów, ale urządzenia te nie wykonywały prawdziwej pracy. Dopiero w XVIII wieku w Wielkiej Brytanii silnik parowy zaczął zmieniać nie tylko oblicze przemysłu, ale także stosunek ludzkości do pracy i społeczeństwa.
Woda jest gotowana w celu wytworzenia pary, która pcha się do góry na tłok w cylindrze. Tłoczysko jest przymocowane do belki poprzecznej i w miarę jak tłok się podnosi, ciężar pręta pompy zawieszonego na przeciwległym końcu belki ciągnie go w dół. Gdy tłok osiągnie szczyt cylindra, do cylindra z tłokiem wstrzykiwany jest strumień wody, który powoduje skraplanie się pary wodnej, zasysając tłok z powrotem w dół. Woda chłodząca odpływa i cykl powtarza się w nieskończoność.
W 1712 roku Thomas Newcomen i jego asystent John Cally zaprezentowali pierwszy silnik parowy nadający się do użytku komercyjnego. Silnik atmosferyczny Newcomena wykorzystywał parę do napędzania pompy. Choć nie był zbyt wydajny, setki takich silników służyły do pompowania wody z brytyjskich kopalń węgla i zalanych terenów.
Pod koniec XVIII wieku James Watt, człowiek, który ostatecznie został nazwany ojcem silnika parowego, znacznie poprawił wydajność silnika stacjonarnego, gdy opatentował silnik „podwójnego działania”, który wykorzystywał parę pod wysokim ciśnieniem po obu stronach tłoka, aby podwoić wydajność. Jego patenty obejmowały również takie urządzenia pomocnicze, jak manometry, przepustnice i regulatory pary. We współpracy z producentem Matthew Boultonem ulepszenia i wynalazki Watta stały się siłą napędową rewolucji przemysłowej.
Podążając za ulepszeniami Watta, wielu wynalazców próbowało zaadaptować silnik parowy do środków transportu lądowego i wodnego. Osiągnięcie mocy napędowej pary pozwoliłoby człowiekowi po raz pierwszy w historii podróżować po lądzie z prędkością większą niż udomowiony koń.
Trevithick’s Tramroad Locomotive
W 1802 roku Richard Trevithick opatentował „silnik wysokociśnieniowy” i stworzył pierwszą lokomotywę napędzaną parą na szynach. Trevithick napisał 21 lutego 1804 roku, po wypróbowaniu swojej wysokociśnieniowej lokomotywy tramwajowej, że „przewiózł dziesięć ton żelaza, pięć wagonów i 70 ludzi… ponad 9 mil… w 4 godziny i 5 minut”. Choć brzmiąca ponuro podróż, była pierwszym krokiem w kierunku wynalazku, który całkowicie zmieniłby stosunek człowieka do czasu i przestrzeni.
George Stephenson i jego syn, Robert, zbudowali pierwszą praktyczną lokomotywę parową. Stephenson zbudował swoją „lokomotywę podróżną” w 1814 roku, która była używana do transportu węgla w kopalni w Killingworth. W 1829 r. Stephensonowie zbudowali słynną lokomotywę Rocket, w której zastosowano kocioł wielorurowy, praktykę kontynuowaną w kolejnych generacjach parowozów. Rocket wygrała konkurs na Rainhill Trials, którego celem było rozstrzygnięcie kwestii, czy najlepiej poruszać wagony po szynach za pomocą stałych silników parowych wykorzystujących system kół pasowych, czy też za pomocą lokomotyw parowych. Rocket zdobyła nagrodę w wysokości 500 funtów dzięki średniej prędkości 13 mil na godzinę (bez ciągnięcia ładunku Rocket osiągała prędkość do 29 mil na godzinę), pokonując Novelty Braithwaite’a i Ericksona oraz Sans Pareil Timothy’ego Hackwortha. Stephensonowie wprowadzili do swoich silników elementy, które zostały wykorzystane w kolejnych generacjach silników parowych.
Patentowy silnik lokomotywy Stephensona
Chociaż pierwszą lokomotywą działającą na amerykańskiej linii kolejowej był Stourbridge Lion, zbudowana w 1828 r. i sprowadzona z Anglii przez Horatio Allena z Nowego Jorku, brytyjskie lokomotywy nie zdominowały amerykańskich kolei, ponieważ były zbyt ciężkie na stosunkowo lekkie i często nierówne amerykańskie tory. W rzeczywistości Lion został wkrótce zdegradowany do roli stacjonarnego parowozu.
Amerykańscy wynalazcy i inżynierowie podążali równoległym kursem do Brytyjczyków i już w 1812 roku John Stevens wystosował do Kongresu petycję o wsparcie dla narodowej kolei. Zbudował on również pierwszą amerykańską lokomotywę parową w 1825 roku. Była to lokomotywa z kotłem wielorurowym, która jeździła po okrężnym torze demonstracyjnym w jego posiadłości w Hoboken, w stanie New Jersey. Choć nie udało mu się uzyskać wsparcia finansowego dla kolei państwowej ani dla swojej lokomotywy, Stevens założył później jedną z pierwszych amerykańskich kolei, Camden & Amboy Railroad.
Peter Cooper’s Tom Thumb, zbudowany w 1830 roku, był pierwszą amerykańską lokomotywą, która ciągnęła wagon pasażerski na linii kolejowej. Choć niewielka, była wystarczająco mocna, by przekonać dyrektorów kolei Baltimore i Ohio o praktycznym zastosowaniu lokomotywy parowej.
Best Friend of Charleston
Wyróżnienie bycia pierwszą lokomotywą, która pociągnęła pociąg z wagonami na amerykańskiej linii kolejowej w regularnej służbie, należy do Best Friend of Charleston z 1831 roku. Zaprojektowany przez E. L. Millera i zbudowany w Nowym Jorku, Best Friend działał przez prawie sześć miesięcy, dopóki jego kocioł nie eksplodował, gdy robotnik, którego irytował dźwięk syczącej pary, odciął zawór bezpieczeństwa.
W 1831 roku Matthias Baldwin założył Baldwin Locomotive Works. Jego drugi parowóz, E.L. Miller, ustanowił prototyp, z którego rozwinęły się późniejsze silniki. Do końca XIX wieku firma Matthiasa Baldwina stała się największym producentem lokomotyw na świecie i dominowała na rynku przez ponad sto lat, produkując około 59 000 lokomotyw.
Pierwsze lokomotywy były zbudowane z kołami stałymi, które sprawdzały się na prostych torach, ale nie tak dobrze w górzystym terenie Ameryki. Amerykański inżynier budowlany John Jervis zaprojektował w 1832 r. lokomotywę Experiment, wyposażoną w obracający się czterokołowy wózek prowadzący, znany również jako „wózek”, który mógł podążać za torem i umożliwić lokomotywom poruszanie się po liniach kolejowych o ciaśniejszych łukach.
Lokomotywa Ameryka zbudowana przez Grant Locomotive Works, of Paterson, N. J., na Wystawę Paryską w 1867 roku, standardowa amerykańska lokomotywa 4-4-0 z połowy XIX wieku.
Pilot, lub „łapacz krów”, był unikalny dla amerykańskich lokomotyw. Linie kolejowe nie były ogrodzone i spółki kolejowe były odpowiedzialne za wszelkie szkody wyrządzone przez zderzenie ze zwierzęciem, które mogło wykoleić lokomotywę. Lokomotywa John Bull, około 1833 roku, była jedną z pierwszych lokomotyw w Ameryce wyposażonych w takie urządzenie do usuwania przeszkód z torów. Wkrótce piloty stały się standardowym wyposażeniem amerykańskich lokomotyw.
Lokomotywy mogą być skonfigurowane na wiele sposobów, skategoryzowanych według układu kół wózka prowadzącego, kół napędowych i wózka nadążnego. Konfiguracja 4-4-0 (czyli cztery koła na wózku prowadzącym i cztery koła napędowe, bez wózka nadążnego) była najczęściej stosowana w USA i zyskała miano American Standard. Lokomotywy, które spotkały się w Promontory Summit, Jupiter firmy Central Pacific i lokomotywa nr 119 firmy Union Pacific, były lokomotywami 4-4-0.
Amerykańscy producenci produkowali lokomotywy o takiej samej pojemności jak brytyjskie, ale po niższych kosztach. Chociaż amerykańskie lokomotywy były misternie zdobione drogimi mosiężnymi elementami, a koszty pracy były wyższe niż w Wielkiej Brytanii, amerykańscy producenci obniżyli koszty, stosując tańsze żeliwo zamiast kutego żelaza do wielu elementów. Amerykańskie koleje zaczęły korzystać z lokomotyw importowanych z Wielkiej Brytanii, ale do końca XIX wieku Ameryka stała się głównym producentem lokomotyw i wyeksportowała ponad 2900 silników.
Nie jest przesadą stwierdzenie, że energia parowa i lokomotywy miały taki sam wpływ na przemiany w XIX wieku, jaki komputer miał w XX. Robert Thurston, w swojej książce z 1878 roku na temat historii maszyny parowej, powiedział, że byłoby „zbyteczne próbować wyliczać korzyści, jakie przyniosła ona rodzajowi ludzkiemu, ponieważ takie wyliczenie obejmowałoby dodanie do każdej wygody i stworzenie prawie każdego luksusu, z którego obecnie korzystamy.”