Transportasi rel
Suatu sistem dengan roda tanpa flens berjalan di atas pelat logam berbentuk L telah diperkenalkan, dikenal juga dengan istilah "plateway". John Curr, seorang manajer tambang batu bara Sheffield, menemukan rel berflens ini pada tahun 1787, meskipun tanggal pastinya diperdebatkan. Rel berpelat ini diambil alih oleh Benjamin Outram untuk jalur lori yang melayani kanal-kanal, dan memproduksinya di pabrik besi Butterley.
Pada 1803, William Jessop membuka Surrey Iron Railway, jalur ganda lori, yang kadang-kadang disebut sebagai lori publik pertama di dunia, di London selatan.
Sementara itu, William Jessop yang sebelumnya menggunakan bentuk rel pinggir dan roda berflens berhasil memperpanjang lintasnya ke Charnwood Forest Canal di Nanpantan, Loughborough, Leicestershire pada 1789. Pada 1790, Jessop dan rekannya Outram mulai memproduksi rel pinggir. Jessop menjadi rekan di Butterley Company pada 1790. Jalur rel pinggir umum pertama (dengan demikian juga lintas umum pertama) yang dibangun
adalah Lake Lock Rail Road pada tahun 1796. Meskipun tujuan utama dari jalur ini adalah untuk mengangkut batu bara, namun juga mengangkut penumpang.
Kedua sistem konstruksi rel kereta api besi, rel pelat "L" dan rel pinggir, terus eksis bersama hingga memasuki awal abad ke-19. Roda berflens dan rel pinggir akhirnya membuktikan keunggulannya dan menjadi standar untuk kereta api.
Besi cor yang digunakan di rel terbukti tidak memuaskan karena rapuh dan pecah bila dikenai beban berat. Besi tempa ditemukan oleh John Birkinshaw pada tahun 1820 menggantikan besi cor. Besi tempa (biasanya hanya disebut sebagai "besi") adalah bahan ulet yang bisa mengalami deformasi yang cukup sebelum pecah, membuatnya lebih cocok untuk rel besi. Tetapi
besi masih mahal untuk diproduksi sampai Henry Cort mematenkan proses aduk pada 1784. Pada 1783 Cort juga mematenkan proses "rolling" baja, yang 15 kali lebih cepat dalam mengkonsolidasikan dan membentuk besi daripada menempa. Proses-proses ini sangat menurunkan biaya produksi besi dan rel. Perkembangan penting berikutnya dalam produksi besi adalah proses tiupan udara panas
yang dikembangkan oleh James Beaumont Neilson (dipatenkan 1828), yang sangat mengurangi jumlah kokas (bahan bakar) atau arang yang dibutuhkan untuk memproduksi besi mentah. Besi tempa adalah bahan lunak, yang cenderung membuat rel besi mengeriting dan mereka bertahan kurang dari 10 tahun. Terkadang mereka bertahan hanya satu tahun di bawah lalu lintas tinggi. Semua
perkembangan ini dalam produksi besi akhirnya mengarah pada penggantian rel kayu/besi komposit dengan rel sepenuhnya besi.
Diperkenalkannya proses Bessemer memungkinkan baja dibuat murah, menyebabkan jalur kereta diperluas besar-besaran mulai akhir 1860-an. Rel baja dapat bertahan lebih lama daripada besi. Rel baja mengakomodasi lokomotif yang lebih berat, kereta yang lebih panjang, dan meningkatkan produktivitas operator kereta. Proses Bessemer adalah memasukkan nitrogen ke dalam baja, yang
menyebabkan baja menjadi rapuh seiring bertambahnya usia. Tungku terbuka mulai menggantikan proses Bessemer di dekat akhir abad ke-19, meningkatkan kualitas baja dan semakin menghemat biaya. Sehingga, baja sepenuhnya menggantikan penggunaan besi di rel, menjadi standar untuk semua kereta api.
Trem kuda penumpang pertama, Swansea and Mumbles Railway dibuka antara Swansea dan Mumbles di Wales pada 1807. Kuda tetap menjadi moda yang lebih disukai untuk transportasi trem bahkan setelah kedatangan mesin uap, baik sampai akhir abad ke-19. Alasan utama adalah bahwa trem kuda lebih ramah lingkungan dibandingkan dengan trem uap yang menyebabkan asap di jalan-jalan kota.
James Watt, seorang penemu dan insinyur mesin Skotlandia, mencoba meningkatkan mesin uap Thomas Newcomen, yang sampai sekarang digunakan untuk memompa air keluar dari tambang. Watt mengembangkan motor bakar torak pada tahun 1769, yang mampu menggerakkan roda. Meskipun mesin Watt hanya digunakan dalam pabrik pemintalan kapas dan pabrik-pabrik dengan mesin lainnya, mesin itu adalah mesin stasioner
besar. Sebaliknya, keadaan teknologi ketel mengharuskan penggunaan uap tekanan rendah yang bekerja pada ruang hampa di dalam silinder; ini membutuhkan kondensor terpisah dan pompa udara. Namun demikian, ketika konstruksi ketel uap dikembangkan, Watt menyelidiki penggunaan uap tekanan tinggi yang bekerja langsung pada piston. Hal ini memungkinkan ukuran mesin yang
lebih kecil, dapat digunakan untuk menyalakan kendaraan. Akhirnya ia mematenkan desain untuk lokomotif uap pada tahun 1784. Pegawainya, William Murdoch, membuat model kereta uap berpenggerak-sendiri pada tahun itu.
Lokomotif uap kereta api pertama kali diproduksi massal di Inggris pada tahun 1804 oleh Richard Trevithick, seorang insinyur Inggris yang lahir di Cornwall. Lok ini menggunakan uap tekanan tinggi untuk menggerakkan mesin dengan satu langkah tenaga. Sistem transmisi menggunakan roda gila besar untuk menyamaratakan pergerakan batang piston. Pada 21 Februari 1804, perjalanan kereta api uap pertama di dunia terjadi
ketika lokomotif uap Trevithick yang tidak bernama menarik sebuah kereta di sepanjang jalan trem dari pabrik besi Penydarren, dekat Merthyr Tydfil di Wales Selatan. Trevithick kemudian mendemonstrasikan sebuah lokomotif yang beroperasi di atas jalur rel melingkar di Bloomsbury, London, "Catch Me Who Can", tetapi tidak pernah melampaui tahap eksperimental dengan lokomotif kereta api, paling tidak karena mesinnya terlalu berat untuk lintasan besi cor.
Lokomotif uap pertama yang sukses secara komersial adalah lokomotif rel gigi karya Matthew Murray, "Salamanca," dibangun untuk Middleton Railway di Leeds pada tahun 1812. Lokomotif bersilinder kembar ini tidak cukup berat untuk memecahkan rel pinggir, namun menyelesaikan masalah adhesi dengan roda gigi yang menggelinding di atas rak gigi pada sisi salah satu rel. Sehingga itu juga kereta api rel gigi pertama.
Selanjutnya pada tahun 1813 diikuti oleh lokomotif "Puffing Billy" yang diproduksi oleh Christopher Blackett dan William Hedley untuk Wylam Colliery Railway, lokomotif pertama yang sukses berjalan hanya dengan adhesi. Hal ini dicapai dengan adanya distribusi berat di tiap-tiap gandarnya. "Puffing Billy" sekarang dipajang di Science Museum di London, menjadikannya lokomotif tertua yang dikoleksi di situ.
Pada tahun 1814 George Stephenson, terinspirasi oleh lokomotif awal Trevithick, Murray, dan Hedley, membujuk manajer tambang batu bara Killingworth tempat ia bekerja untuk memproduksi mesin bertenaga uap. Stephenson memainkan peran penting dalam pengembangan dan adopsi bentuk lokomotif uap. Desainnya ditingkatkan berdasarkan karya perintis sebelumnya. Ia membangun lokomotif "Blücher", juga
merupakan lokomotif adhesi roda berflens yang sangat sukses. Pada tahun 1825 ia membangun lokomotif "Locomotion" untuk Stockton dan Darlington Railway di timur laut Inggris, yang menjadi kereta api uap umum pertama di dunia pada tahun 1825, meskipun menggunakan tenaga kuda dan tenaga uap pada lintasan berbeda. Pada 1829, ia membangun lokomotif "Rocket",
yang masuk dan memenangkan Rainhill Trials. Keberhasilan ini menyebabkan Stephenson mendirikan perusahaannya sebagai pembangun lokomotif uap yang unggul untuk kereta api di Inggris dan Irlandia, Amerika Serikat, dan sebagian besar Eropa. Kereta api umum pertama yang hanya menggunakan lokomotif uap, sepanjang waktu, adalah Liverpool dan Manchester Railway, yang diproduksi pada 1830.
Tenaga uap terus menjadi sistem tenaga dominan di jalur kereta api di seluruh dunia selama lebih dari satu abad.
Lokomotif listrik pertama yang diketahui diproduksi pada tahun 1837 oleh kimiawan Robert Davidson dari Aberdeen, Skotlandia, dan ditenagai sel galvanik (baterai/aki). Dengan demikian itu juga lokomotif baterai paling awal. Davidson kemudian membangun lokomotif yang lebih besar bernama "Galvani", yang dipamerkan di Pameran Masyarakat Seni Kerajaan Skotlandia pada tahun 1841. Kendaraan tujuh ton ini