鉄道車両の歴史
電力によって鉄道車両を走らせる、電気鉄道の技術は古くから実験されてきており、一番古いものでは1834年にアメリカのデボンポート (Devonport) が走行実験を行ったという記録がある。電池を車体に搭載して走らせたものであるが、初期の電池は振動に弱かったため実用性に乏しかった。
電気鉄道の大きな特徴である、線路側に給電設備を設けてそこから集電して電気車が走行する仕組みは、1850年にアメリカでホール (Hall) が初めて実験している。これは電池を地上において給電していたものであった。電動機の運転中に偶然発電機が見出されるのは1864年のことである。
ドイツのヴェルナー・フォン・ジーメンスは、シーメンス・ハルスケ社 (Siemens Halske) を設立し、1879年のベルリン貿易博覧会会場において電気機関車により3両の客車を牽いて300 mの線路の運転を行った。電圧は直流150 Vで第三軌条による給電であった。さらに1881年にはベルリン郊外のリヒターフェルデ (Lichterfelde) で約2.5 kmの世界初の実用電気鉄道路線を開業させた。直流100 V第三軌条方式であった。
続いて、アメリカのフランク・スプレイグはばねの力を利用して架線から集電するトロリーポールを1880年に発明し、これを利用して1888年にバージニア州リッチモンドに直流500 Vのシステムを用いたリッチモンド・ユニオン旅客鉄道 (Richmond Union Passenger Railway) を敷設した。
ドイツのホイジンガー (Heusinger) が改良したため、ホイジンガー式とも呼ばれる。この弁装置はその優秀性から広まり、その後蒸気機関車の時代の終焉まで用いられ続ける装置となった。一方でアメリカにおいては広大な大地を長距離に渡って走行し、その間満足な整備ができないという事情から、摺動部分がなく整備の手間が少ないベーカー式弁装置が開発されて普及した。
蒸気機関車ではボイラーで蒸気を作ってシリンダーへ供給している。蒸気は、液体の水から沸騰させて作った段階ではまだ多量の水分を含んでおり、飽和蒸気と呼ばれる。これをさらに加熱して水分を完全に蒸気に変換して温度を上げたものは過熱蒸気と呼ばれる。過熱蒸気を使った方がより効率がよくなるということから、蒸気機関車でも過熱蒸気を使う取り組みは行われてきた。最初に取り組んだのは1852年のロンドン・アンド・ノース・ウェスタン鉄道の技師マッコーネルであり、さらに欧米各国で様々な実験が試みられたがうまくいかなかった。初めて成功したのはドイツのヴィルヘルム・シュミット (Wilhelm Schmidt) で1891年のことであった。さらにベルギー国鉄の技師長J.B.フラムの助言で、煙管内に過熱管を引き回す構成を1901年に完成させ、シュミット式過熱蒸気のシステムはたちまち全世界の蒸気機関車に広まることになった。
ボイラーで作った蒸気を、高圧シリンダーに先に通し、まだ圧力の残っている高圧シリンダーからの排気を低圧シリンダーに通すという2段階に分けて利用する方式を複式機関車(コンパウンド)という。
イギリスでは4気筒でも単式で燃費向上ではなく同じ車両限界内での出力増大と内外シリンダーの駆動を逆にすることで振動を抑える目的の機関車が開発され、フランスの複式4気筒と共に使われていたが、両者とも大型化が進むにつれクランク車軸がゆがみやすくなる(車軸にクランクが2つあり強度が落ちる)という問題が発生し、中央のクランクを1つにした3シリンダー機の方がクランクウェブの厚みが取れ大馬力化に有利で、トルク変動も2・4気筒が1回転に4回なのに対し3気筒は6回に分散するためトルクのむらが少なく振動が減少するという計算がされたが、てこで外側シリンダーの動きをすぐ内側のシリンダー(位相が逆なので複雑な機構もいらない)で動かせばいい4シリンダーに対し、専用のバルブをつけて中央シリンダーを動かさなければいけないため整備しにくいという欠点があり、改良案としてイギリスのロンドン・アンド・ノース・イースタン鉄道の技師長ナイジェル・グレズリーは、2つの弁装置から延びるてこで3気筒を駆動するグレズリー式連動弁装置を開発して自社の機関車に使用したが、こちらは前方からすぐに保守ができる代わりにこまめに整備しないと中央シリンダーの動きにずれが生じてクランクの損傷につながるので一長一短で、イギリスなど内側シリンダーの整備に慣れていたところでは撤去(専用のバルブをつける)されるなどの改造を受けたものもあった。
こうして発展してきた蒸気機関車は、ロンドン・アンド・ノース・イースタン鉄道のA4形蒸気機関車の1両、4468号機「マラード」 (Mallard) により、1938年7月3日に203 km/hという世界最高速度記録を達成した。これは2008年現在まで破られていない、蒸気機関車の世界最高速度である。この機関車は国立ヨーク鉄道博物館に保存されている。