Une locomotive est une machine qui tire ou pousse les trains de chemin de fer.

À la fin du XVIIe siècle, le scientifique français Denis Papin étudie la puissance que peut produire l'eau quand on la transforme en vapeur sous l'effet de la chaleur. Chacun peut en faire l'expérience en chauffant un tube de verre bouché contenant de l'eau. Rapidement, la vapeur fait sauter le bouchon.

En 1679, Denis Papin réalise une marmite à pression qui est l'ancêtre de l'autocuiseur. Cette recherche est importante à cause du levier qui contrôle la soupape de sa marmite et permet de mesurer la pression de la vapeur. En 1707, Denis Papin dessine aussi les plans d'une machine à piston dont le mouvement serait produit par la vapeur. Malheureusement, personne ne s'intéresse à ses recherches et il meurt dans la pauvreté.

Au XVIIIe siècle, des ingénieurs anglais comme Thomas Newcomen utilisent la vapeur pour actionner des pompes aspirant l'eau infiltrée dans les mines. Il faut d'abord un foyer et une grande chaudière pour faire bouillir l'eau. La vapeur produite est envoyée par saccades dans un cylindre où elle repousse un piston. Quand on refroidit la vapeur du piston, elle perd son volume et le piston revient à son point de départ. Le piston est relié à une bielle (barre d'acier) qui transmet son mouvement de va-et-vient à une roue. Les premières machines à vapeur sont fixes. Le foyer et la chaudière prennent beaucoup de place et sont très lourds.

Parmi les nombreux ingénieurs qui améliorent le fonctionnement des machines à vapeur, l'Anglais James Watt a l'idée d'envoyer la vapeur alternativement de chaque côté du piston. Cela exige davantage de vapeur, mais donne plus de puissance à la machine. Plus tard, on utilisera de nom de Watt pour désigner l'unité de puissance de tous les moteurs.

Au XIXe siècle, on utilisait beaucoup les machines à vapeur pour faire fonctionner les usines. Grâce à des systèmes de courroies et d'engrenages, une seule grande machine à vapeur pouvait actionner différentes machines-outils : pompes, treuils, marteau-pilon, etc.

Il reste encore difficile d'adapter la machine à vapeur aux véhicules. En 1769, l'ingénieur français Joseph Cugnot invente un fardier, lourd chariot fonctionnant à la vapeur. Ce fardier, destiné à traîner de lourdes charges, est peu maniable sur la route. On raconte qu'au premier essai, il a défoncé un mur. D'autre part, la chaudière est trop petite pour fonctionner longtemps.

Cette invention de Cugnot arrive trop tôt pour être utilisable et personne ne s'y intéresse. Il s'agit pourtant de l'ancêtre des locomotives et des camions. Historiquement, c'est le premier véhicule automobile au monde.

Au début du XIXe siècle, les Anglais cherchent à faire rouler sur rails des véhicules à vapeur. D'abord, ils sont persuadés que les roues métalliques vont patiner sur des rails lisses. Ils imaginent des roues dentées roulant sur une crémaillère. Ce système sera utilisé plus tard pour les pentes de certaines montagnes. Ou bien ils inventent des béquilles qui feraient avancer la locomotive comme avec des pattes. On s'aperçoit enfin que le poids de la machine suffit à provoquer l'adhérence des roues lisses sur les rails. C'est seulement en cas de verglas que l'on prévoit un jet de sable pour faciliter le démarrage.

L'ingénieur anglais Richard Trevithick s'intéresse très tôt aux véhicules à vapeur. En 1802, il fait les essais sur route d'un carrosse à vapeur. Mais les cahots sur les routes ne permettent à aucune roue de supporter un pareil poids. Trevithick dessine donc les plans d'une locomotive destinée aux chemins de fer. Aux essais de 1804, elle remorque 5 wagons de 10 tonnes de minerai et 70 hommes à la vitesse de 4 km/h.

En 1808, Trevithick présente à Londres, dans un enclos, une voie circulaire parcourue par une locomotive, appelée « Catch me who can ». Elle tire une voiture pouvant transporter des personnes. Malgré l'affluence de curieux, cette machine, considérée comme une attraction foraine, ne trouve pas d'utilisation immédiate. Elle est pourtant la première vraie locomotive.

George Stephenson (prononcer : stivenson) travaille sur les pompes à vapeur des mines anglaises. Il apprend à les réparer et à les améliorer. Il s'intéresse aussi aux locomotives. En 1813, devenu directeur de mine à Killingworth, il réalise une locomotive qui donne satisfaction. À partir de 1822, Stephenson construit une petite ligne de chemin de fer entre Stockton et Darlington. Pour tirer les trains, il devient constructeur de locomotives. L'une d'elles, baptisée « Locomotion », de 1825, a été conservée en état de marche à Darlington.

Le Français Marc Seguin a acheté une locomotive anglaise et il a l'idée d'amplifier la production de vapeur en faisant passer la fumée brûlante du foyer dans des tubes traversant l'eau de la chaudière. Il dépose en 1827 un brevet d'invention.

Le principe de l'invention est de multiplier la surface de séparation pour amplifier l'échange de température entre la chaleur venue du foyer et l'eau de la chaudière. Le même principe est appliqué maintenant pour les radiateurs de chauffage, mais aussi pour le refroidissement des moteurs (radiateur de voiture ou ailettes des moteurs de deux-roues). On retrouve aussi ce principe dans la nature, chez les êtres vivants, dans les poumons ou les branchies des poissons, pour mieux oxygéner le sang ; également, l'étalement des feuilles chez les plantes pour l'assimilation du gaz carbonique.

Seguin ajoute un énorme ventilateur pour activer le foyer, mais c'est en rehaussant la cheminée que l'aspiration améliorera le tirage.

Pour empêcher n'importe qui d'utiliser à son profit l'invention d'un autre, depuis la Révolution française, tout inventeur pouvait déposer son invention auprès d'un bureau de l'État. Personne n'a alors le droit d'utiliser cette invention sans verser des droits à l'inventeur. À l'époque, les pays étrangers ne reconnaissaient pas les brevets d'invention d'un autre pays, ce qui explique que les Anglais aient rapidement utilisé, eux aussi, le principe de la chaudière tubulaire.

Il faut reconnaître aussi que lorsque des ingénieurs de divers pays s'intéressent au même problème, ils aboutissent parfois à des solutions très proches sans avoir forcément copié sur les autres. Cela explique que différents pays revendiquent l'origine de certaines inventions.

Dans le cas de la chaudière tubulaire de locomotives, les ingénieurs anglais s'inspirèrent aussi des recherches sur les chaudières de bateaux dans leur pays.

Pour équiper la nouvelle ligne de chemin de fer Liverpool-Manchester, un concours de locomotives est organisé en Grande-Bretagne. La compétition a lieu en octobre 1829. Cinq machines différentes sont en compétition. L'une des concurrentes s'appelle « Novelty » (l'innovation), mais ce nom ne l'empêche pas de tomber en panne.
Robert Stephenson (le fils de George) l'emporte largement avec sa machine « The Rocket » (en français, la Fusée). Comme Seguin, il a utilisé une chaudière tubulaire. Désormais toutes les chaudières de locomotives seront tubulaires.

Les constructeurs ne cesseront d'augmenter leur puissance et leur rapidité. Tout est prêt désormais pour développer le transport par chemin de fer.

À partir de 1837 se multiplient en France les lignes de chemin de fer destinées à la fois au transport des voyageurs et des marchandises. Pour la première fois, en 1857, une locomotive, la Lison, devient l'un des personnages importants du roman d'Émile Zola La Bête humaine.

Il faut fabriquer des locomotives de plus en plus puissantes pour tirer des trains plus longs et plus lourds. En 1923, le compositeur de musique Arthur Honegger glorifie l'une d'elle, la « Pacific 231 », dans un célèbre poème symphonique. On a l'impression que le chemin de fer est désormais indissociable de la vapeur.

Néanmoins, l'entretien des machines coûte cher. Elles nécessitaient en moyenne 35 heures d'entretien, contre 8 heures pour une locomotive à moteur diesel dans les années 50. De plus, il faut sur chaque locomotive un mécanicien et un chauffeur qui s'occupe d'alimenter le foyer en charbon et la chaudière en eau. La quantité emmenée au départ ne suffit pas toujours, notamment pour l'eau, ce qui oblige à changer sept fois de locomotive sur un trajet Paris-Nice en 1930.

Depuis 1900, de petits trains fonctionnent électriquement, dont le métro et les courtes lignes parisiennes Invalides-Versailles et Orsay-Gare d'Austerlitz. En 1920, on envisage un plan général d'électrification des chemins de fer.

La construction de moteurs électriques puissants ne pose aucun problème. La difficulté, c'est d'installer au-dessus des voies ferrées les fils électriques appelés caténaires qui alimentent en courant les machines, grâce à un pantographe que l'on peut replier au repos. L'installation du réseau électrique demandera des travaux importants. C'est seulement dans les années 1960 que s'achèvera l'électrification de tout le réseau français. En attendant, on a utilisé des locomotives à moteur diesel (comme celui des camions, en plus gros), mais leur entretien reste coûteux.

Locomotrices est le terme exact pour désigner les machines qui n'utilisent plus l'énergie de la vapeur. Mais beaucoup d'amis des chemins de fer, surtout s'ils ont travaillé sur les « locos » d'avant la Seconde Guerre mondiale, gardent la nostalgie des anciennes machines à vapeur, sans doute parce que le rythme du piston ressemble aux battements du cœur humain. Ils soignent ces dernières machines et organisent de courtes excursions au rythme d'autrefois.

Pour améliorer le profil des trains et augmenter la vitesse, les ingénieurs qui conçoivent le TGV (Train à Grande Vitesse), suppriment toute séparation entre la partie motrice et les compartiments de voyageurs. Désormais, la rame possède à chaque extrémité une grosse motrice et une cabine de pilotage. Cela permet de repartir facilement dans l'autre sens aux gares terminus, alors qu'auparavant il fallait chaque fois atteler une autre locomotive.