從英國走向全球的蒸汽火車

2025年是全球首條公共鐵路投用200周年。據英國《觀察家報》報道，因礦業發展的需要而興起的鐵路運輸，在幾位杰出機械師和工程師的努力下實現了與蒸汽動力設備的有效結合。1825年全球第一條鐵路在英國投入運營后，蒸汽火車沿著鐵路線走向全球。

從石軌到鐵軌的變遷

鐵路起源于“有軌馬車”。16世紀，歐洲采礦業興起，隨著運輸量的增加，泥土路面難以負荷。德國人學習古羅馬的經驗，率先在哈茲煤礦鋪設石質路面，使得馬車擺脫了泥濘的土路，得以將大量煤炭從礦區運至碼頭。但是，鋪設石質路面施工量很大，于是后來改為在土路上鋪設兩行石板供馬車車輪碾軋——這就是石軌。

1660年，英國紐卡斯爾附近的煤礦開始鋪設木軌，其施工更加便利，而且馬車在上面行駛平穩快捷。然而，木軌的耐磨性顯然不如石軌。到100多年后的1763年，英法七年戰爭結束，由于軍需銳減，英國鐵價大跌。英國的礦主們就此迎來了解決木軌易磨損問題的契機——將鐵皮包裹在木軌上，這便是世界上最早的鐵軌。

隨著礦產運輸量的增加，包裹鐵皮的木軌也不堪重負。1768年，英國什羅普郡煤溪谷一家鐵廠的老板，眼見堆積如山的生鐵賣不出去還很占地方，一氣之下便命人把生鐵燒鑄成鐵板，鋪在廠區的路上，準備等鐵價上漲后再銷售。沒想到這種鐵板路面在礦區得到推廣應用。

后來，有礦區把鐵板改制成兩根“L”型角鐵鐵軌（低于地面），可供馬車的車輪嵌入其中行駛。但角鐵鐵軌容易被煤屑和垃圾填塞。1789年，英國土木工程師威廉·杰索普設計出凸型鐵軌（高于地面）和外輪緣凸出的鑄鐵車輪，在從拉夫堡到萊斯特的馬車鐵路上投入應用——這便是現代鐵路的雛形。

杰索普后來又發明了內輪緣凸出的鑄鐵車輪（外輪緣凸出須用緊固件鎖緊，而內輪緣凸出靠鐵軌就能約束）和鐵路道岔。現代鐵路的輪軌保留了這種230多年前的設計。

飽受挫折的發明家

18世紀是英國工業革命的黃金時期，出現了眾多影響人類發展的重要發明，其中首推蒸汽機。1804年2月，英國人理查·特里維西克利用蒸汽機制成了世界上第一輛蒸汽火車機車，人類由此真正邁入了鐵路時代。

特里維西克于1771年生于英國康沃爾郡一個礦主家庭，有5個姐姐，他是家里唯一的兒子。受家庭影響，他少年時期經常接觸礦井中的抽水蒸汽機，激發了設計應用機械的興趣。19歲時，特里維西克當上了礦區的技術主管。當時瓦特蒸汽機大行其道，但這種低壓蒸汽機的一大劣勢是體積過于龐大。特里維西克認為，如果在汽缸內使用高壓蒸汽，就能設計開發出體積較小的蒸汽機。他的這種想法主要受到一位鄰居的影響——蒸汽機工程師威廉·默多克。默多克在瓦特公司工作，曾于1784年研制出英國第一輛三輪蒸汽汽車，配備高壓蒸汽機。但出于商業利益考慮，瓦特公司抵制高壓蒸汽機，所以默多克的創新未能得到改進和應用。

1797年，特里維西克成為煤礦工程師，并與一位鐵匠的女兒結了婚。這一年他啟動了高壓蒸汽機研制工作，在鑄造廠的協助下制造出一部高壓蒸汽裝置。為避開瓦特公司的專利，他對鍋爐和傳動結構進行了改進，圓柱體鍋爐能承受0.34兆帕的高壓，體積則比瓦特蒸汽機小得多，能安裝到車體上。

特里維西克在礦區試用的一臺固定式高壓蒸汽機，由于鍋爐爆炸造成4人受傷。為了解決安全問題，他在鍋爐上設置了鉛鉚釘式安全閥，當溫度過高時，鉛閥熔化便能釋放壓力。

特里維西克原本希望用高壓蒸汽機取代煤礦中使用的瓦特蒸汽機，但瓦特公司讓當時的媒體和公眾相信，“高壓蒸汽機不安全”，而且礦主們更新設備的意愿不強。在飽受挫折后，特里維西克轉而將高壓蒸汽機應用到車輛上。

1801年，特里維西克制造出英國第一輛四輪蒸汽汽車，綽號“吹氣的家伙”，這比德國人卡爾·本茨研制出汽油發動機汽車早了78年。

1801年平安夜，特里維西克與表弟安德魯·維維安開著“吹氣的家伙”出去兜風，行駛8公里后，他們到一家飯店吃飯。結果，停在店外的這輛蒸汽汽車在鍋爐里的水燒干后起火燃燒，車體完全燒毀。

1802年，特里維西克和維維安共同獲得高壓蒸汽機專利，并在什羅普郡煤溪谷鑄造廠制造了第二臺車用高壓蒸汽機。1803年，他們制造出第二輛蒸汽汽車，引起公眾關注。然而，這輛車在一次表演中因駕駛失誤撞到了磚墻上，最終報廢。

由于接連遭遇失敗，特里維西克知道人們出于安全考慮不會接受蒸汽汽車，于是把重點轉向鐵路機車。1804年，特里維西克在英國南威爾士的本·達倫鑄造廠制成第三輛蒸汽車輛，它便是世界上第一輛輪軌式蒸汽機車“新城堡號”。該機車重4.5噸，能牽引總重10噸的車廂。其鍋爐蒸汽壓力為0.294兆帕，頂部裝有一個平放的汽缸，旁邊安裝一個大飛輪，借助它的旋轉保持汽缸活塞的往復運動，活塞帶動連桿和齒輪，驅動機車的兩組動輪。

1804年2月21日，在梅瑟蒂德菲爾的一條運河旁，特里維西克親自駕駛著新出廠的蒸汽機車，牽引著5節車廂，滿載10噸貨物和70名乘客，沿著16公里長的鑄鐵軌道以時速3.9公里跑完了全程——這就是世界上第一次火車運行，用時4小時，比馬車慢得多。由于未能大幅提升速度以形成競爭優勢，特里維西克的蒸汽火車最終在商業上一敗涂地。

作為一位發明家，特里維西克的一生飽受挫折。1810年，他由于承包的隧道工程發生事故而破產。當15年后運行蒸汽火車的鐵路在英國興起時，他眼睜睜地看著“火車之父”的桂冠被戴到其后輩喬治·斯蒂芬孫的頭上。

1833年4月22日，特里維西克在貧病交加中去世，連喪葬費都是朋友幫忙支付的。

從機械師到鐵路工程師

喬治·斯蒂芬孫比特里維西克小10歲，于1781年出生在英國諾森伯蘭郡一個礦區家庭，父親是煤礦上的抽水蒸汽機司爐工，一家8口全靠其微薄收入生活。斯蒂芬孫自幼未受過良好的教育，14歲就到礦上當了一名見習司爐工。但他勤于學習技術，用一部分工資支付夜校學費，很快就成長為一名熟練的機械師。

1812年，斯蒂芬孫當上了基林沃思煤礦的總機械師，負責維護蒸汽機械，這讓他有機會摸透了瓦特蒸汽機的特性。1814年，斯蒂芬孫為煤礦制成第一輛蒸汽機車，以一位普魯士元帥的名字命名為“布呂歇爾”，并于當年7月25日進行了首次試運行。“布呂歇爾”有一個8英尺長的鍋爐和兩個臥式汽缸，能牽引8節車廂（總重30噸）以時速6.4公里行駛。在此后的五六年間，斯蒂芬孫先后為幾家煤礦制造了16輛蒸汽機車。

當時的鑄鐵軌道性脆易裂，不夠結實，火車經常軋斷軌道。為此，斯蒂芬孫開始與紐卡斯爾的鑄造廠合作改進鑄鐵軌道的性能。1820年，斯蒂芬孫為桑德蘭的一個煤礦修建了一條長13公里的新型礦區鐵路，全程采用新型鐵軌。斯蒂芬孫由此實現了身份上的轉變——從機械師到鐵路工程師，從而為蒸汽火車的推廣作出了更大的貢獻。

1821年，憑借豐富的礦區鐵路施工和運營經驗，斯蒂芬孫接受達林頓富商愛德華·皮斯的委托，著手修建世界上第一條公共鐵路——從達勒姆郡斯托克頓至達林頓，全長27公里。他與助手們完成了勘探和設計工作，并選用了伯靈頓鐵廠研制的新型鍛鐵軌道（每根長4.6米，韌性較好）。

1823年6月，斯蒂芬孫父子在紐卡斯爾開設了機車工廠，這是世界上第一家專業火車制造廠。經過4年的施工，1825年9月，達林頓鐵路舉行隆重的通車儀式。斯蒂芬孫親自駕駛他為這條鐵路制造的機車“旅行號”，拉著12節貨車車廂和22節客車車廂，裝載50噸煤炭和450多名乘客，以時速24公里從達林頓駛到斯托克頓，接著又從斯托克頓返回達林頓。全球第一條公共鐵路就此通車，引起轟動。

1826年5月5日，英國議會通過了修建利物浦—曼徹斯特鐵路的計劃，斯蒂芬孫受聘為總工程師。這條總長56公里的鐵路耗資多達40萬英鎊，把英國紡織業之都曼徹斯特與最大港口城市利物浦連接起來。

工程在反對聲中和資金短缺的情況下艱難推進。為了回應反對者對蒸汽機車性能的質疑，1829年4月，英國鐵路公司宣布將舉行一場蒸汽機車大賽，為新鐵路選擇最優秀的動力設備。1829年10月8日，這場世人矚目的比賽在萊茵希里城的鐵路線上舉行。原本有10輛蒸汽機車報名參賽，但最終只有5輛出現在賽場上。它們分別是：倫敦賴斯懷特·艾立遜工廠制造的“新奇號”，重2.76噸；達林頓赫克華斯工廠制造的“無雙號”，重4.4噸；紐卡斯爾斯蒂芬孫工廠制造的“火箭號”，重4.1噸；利物浦布藍屈斯工廠制造的“環球號”，重3噸；愛丁堡百士托工廠制造的“堅忍號”，重2.4噸。

最終，斯蒂芬孫研制的“火箭號”贏得了這場比賽。在1.5萬名觀眾面前，“火箭號”擊敗了故障頻發的4個對手，贏得了500英鎊獎金。

1830年9月15日，利物浦—曼徹斯特鐵路舉行盛大的通車儀式。時任英國首相威靈頓公爵親自出席。斯蒂芬孫駕駛“火箭號”牽引著30節車廂，載著700多名英國政要顯貴，以時速46公里駛達終點。現場的數萬名觀眾脫帽致敬，一片歡騰。到1830年底，利物浦—曼徹斯特鐵路共載客7萬人次。1831年，這條鐵路一年的運輸總收入高達50萬英鎊，獲利頗豐。

1832年，英國已擁有24條商用鐵路，每年可運載35萬人次以及70萬噸貨物。到1836年，英國建有724公里鐵路，將主要工業區連為一體。鐵路極大地推動了英國商業和鋼鐵、機械、建筑、地產等行業的發展，并降低了物流成本，成為真正的“經濟大動脈”。

鐵路運輸系統走向全球

19世紀后半葉，在英國的示范下，歐美國家掀起了鐵路工程競賽。在1866—1870年間，德國社會投資的70%被用于修建鐵路，總里程達到2443公里。鐵路工程帶動了德國鋼鐵、機械和金融業的發展，幫助它迅速成為歐洲工業強國。到第一次世界大戰前，美、英、法、德、意、比、西等國先后建成了覆蓋全國的鐵路網。鐵路建設奠定了這些國家的工業化基礎。

蒸汽火車和鐵路從歐洲大陸迅速擴散到世界各地。在1840年至1913年間，全世界平均每年修建鐵路1.5萬公里。1840年，世界鐵路總里程僅8000公里，到1913年（第一次世界大戰前），這個數字已達到110萬公里，其中絕大部分集中在英、美、德、法、俄五國。鐵路運輸幾乎壟斷了陸上運輸，承擔的運輸量高達80%。

編輯：姚志剛" " winter-yao@163.com