На протяжении практически всего XVII столетия главным источником энергии оставался водяной двигатель. О его потенциальных возможностях свидетельствует крупнейшая гидротехническая установка, сооруженная на реке Сена в 1682 г., которая состояла из 13 колес диаметром по 8 м, служивших для привода в действие более 200 насосов. С помощью этих насосов подавалась вода на высоту до 160 м для обеспечения функционирования фонтанов Верса- ля – грандиозного дворцово-паркового комплекса в пригороде Парижа. Вместе с тем главным стимулом использования энергии воды служило растущее фабричное производство. В большей степени это относилось к Англии, где бурно развивалась текстильная промышленность.
К началу XVIII в. возможности гидравлического двигателя оказались исчерпанными. Постоянный рост промышленного производства привел к необходимости поиска новых источников энергии. Учитывая достижения естественных наук того времени, можно с уверенностью сказать, что время создания парового двигателя было исторически предопределено.
Действительно, в 1698 г. английский инженер Томас Севери сконструировал первую в мире паровую машину. Единственным ее назначением была откачка воды из шахт, поэтому за ней закрепилось название «друг рудокопа». Мощность машины составляла всего 3 л. с. (лошадиные силы). Машина была неэкономичной и взрывоопасной. Эти недостатки попытался устранить Томас Ньюкомен. В 1711 г. он создал пароатмосферную машину мощностью 8 л. с., которая потребляла втрое меньше топлива и имела в восемь раз большую производительность труда. Безопасность ее использования гарантировал предохранительный клапан, через который выходил лишний пар. Машины Ньюкомена получили довольно широкое распространение в Англии, а затем в Германии, Голландии и Франции. Однако область их применения по-прежнему ограничивалась процессом откачки воды из рудников в течение непродолжительного периода времени.
Первым идею создания парового двигателя непрерывного действия выдвинул русский механик И. И. Ползунов (1728 – 1766). Он родился в Екатеринбурге в семье рядового солдата. Окончив горнозаводскую школу, Ползунов стал трудиться на уральских профильных предприятиях. За успехи в овладении специальностью его перевели на Алтай в Колывано-Воскресенский горнопромышленный округ, который находился в ведении императорского кабинета Ее Величества Екатерины II. Работу на Барнаульском заводе Ползунов совмещал с самообразованием. Он изучал труды М. В. Ломоносова и Д. Папена. Ознакомившись с изобретениями Т. Севери и Т. Ньюкомена, Ползунов решил создать принципиально новую паровую машину непрерывного действия.
В апреле 1763 г. в канцелярию Екатерины II поступила докладная записка с проектом данного изобретения. Непрерывность работы двигателя достигалась автором путем применения двух цилиндров, поршни которых поочередно передавали ход на общий вал. Такое решение проблемы стало поистине революционным переворотом в области прикладной механики. Однако приближенные Екатерины II этого понять не смогли. Через семь месяцев вышел специальный указ императрицы, в котором предписывалось наградить автора уникального изобретения щедрой денежной премией и повысить его в чине. Между тем в документе совсем ничего не говорилось о необходимости промышленного внедрения проекта Ползунова. Правда, один из пунктов указа гласил о желательности командировать автора на учебу в Академию наук. В случае его исполнения И. И. Ползунов вполне мог встретиться в Санкт-Петербурге с М. В. Ломоносовым (1711 – 1765), и тогда судьба русской паровой машины могла быть иной. В это время Ломоносов сам занимался изобретательством. Он конструировал плавильную и стекловаренную печи, пытался создать машину для получения атмосферного электричества и громоотводное устройство, уделял внимание усовершенствованию парового двигателя.
Местное начальство не нашло возможным отлучать И. И. Ползунова от выполнения непосредственных обязанностей и не проявило серьезной заинтересованности в его изобретении. Даже в такой ситуации Ползунов при поддержке немногочисленных помощников все же собирает свою машину, но проверить ее в действии не успевает. Испытание машины состоялось через четыре дня после кончины механика. Она предназначалась для приведения в действие мехов при плавке металла. Проработав почти два месяца, машина принесла прибыль в 12 тыс. р. Затем котел дал течь, устранением которой никто никогда не занимался. 21 июля 1768 г. комиссия Академии наук приняла решение поместить машину Ползунова в кунсткамеру, но и там она не сохранилась.
Впервые проект универсального парового двигателя появился в начале 70-х гг. XVIII в., он принадлежал английскому теплотехнику Джеймсу Уатту. К 1778 г. в г. Сохо вблизи Бирмингема была построена паровая машина с непрерывным вращательным движением, способная к использованию в различных отраслях производства. В 1781 г. это изобретение получило патент. Область применения универсальных паровых двигателей Уатта постоянно расширялась. Чаще всего они использовались для привода всевозможных станков на промышленных предприятиях. Так, в Англии в 1785 г. уже действовали 144 таких машины общей мощностью 2009 л. с., они получили распространение и в других странах Европы.
В конце XVIII столетия возникло вполне закономерное стремление использовать паровой двигатель на транспорте. Первую попытку применить его для передвижения по воде предпринял французский изобретатель Дени Папен. Он изготовил паровую лодку, модель которой оказалась неудачной и развития не получила. Более удачливым был Роберт Фултон. Находясь в США, он построил колесное судно «Клермонт», приводимое в движение паровым двигателем мощностью 20 л. с. В августе 1807 г. это судно совершило рейс от Нью-Йорка до Олбани протяженностью 280 км. Дальнейшее развитие пароходства стало продвигаться довольно быстро. В 1813 г. появился первый пароход в России под названием «Елизавета».
Параллельно этому осуществлялись попытки использовать паровой двигатель в наземном транспорте. В 1802 г. Ричард Тревитик сконструировал и испытал автомобиль на паровой тяге, а через год поставил его на рельсы. Получившийся паровоз мог вести состав с грузом до 10 т со скоростью 8 км / ч. Однако Тревитик так и не вошел в историю техники в качестве основателя локомотивостроения.
Основоположником локомотивостроения, как и железнодорожного дела в целом, принято считать английского инженера Джорджа Стефенсона (1781 – 1848). Он родился в семье потомственных рабочих угольных копий Ньюкасла, где и сам начал трудовую деятельность. Работая на шахте, он по собственной инициативе изучил паровую машину, стал машинистом, занял должность механика.
В 1814 г. Стефенсон сконструировал и испытал свой первый паровоз, способный передвигать восемь повозок массой 30 т со скоростью 6 км / ч. Его двигатель имел два цилиндра и зубчато-колесную передачу. Через год появился второй паровоз Стефенсона, в конструкции которого зубчатая передача была заменена кривошипным механизмом, а также присутствовал конус для выхода отработанного пара в трубу. Паровоз получил название «Блюхер» в честь прусского генерала, победившего Наполеона при Ватерлоо.
В 1823 г. Стефенсон был назначен главным инженером компании по строительству первой в мире железной дороги общего пользования «Стоктон –Дарлингтон» протяженностью 53,6 км. Одновременно впервые в истории он создает паровозостроительный завод в Ньюкасле, где состоялся выпуск нового изобретения Стефенсона – паровоза «Локомоушен №1» на подвесных рессорах. Этот паровоз сразу поступил на линию «Стоктон – Дарлингтон», а 27 сентября 1825 г. состоялось открытие дороги. В 1829 г. очередной локомотив Стефенсона «Ракета» принял участие в конкурсе достижений паровозостроения в г. Рейхиле. «Бой паровозов», как называла этот конкурс пресса, закончился победой «Ракеты», которая свободно тянула поезд весом 17 т со скоростью 21 км / ч. Этот локомотив после ряда усовершенствований мог достигать невиданной для того времени скорости – 58 км / ч – и тем самым оправдывал свое название.
Первый российский паровоз был создан отцом и сыном Черепановыми – Ефимом Алексеевичем (1774 – 1842) и Мироном Ефимовичем (1803 – 1849). Они происходили из крепостных крестьян Выйского завода на Урале. Отец Ефима был простым чернорабочим. В послужном списке Е. Черепанова в графе «Из какого звания и где обучался» значилось: «Из рабочего штата, обучался при доме». С юного возраста он начал трудиться подсобником у мастера воздуховных устройств. Еще тогда он попытался усовершенствовать мехи, применявшиеся на Выйском заводе. К концу XVIII в. Е. Черепанов уже сам становится «меховым мастером», а далее – широким специалистом горного дела. В 1921 г. его командируют в Санкт-Петербург по служебным делам, затем направляют в Англию, где он знакомится с новейшими техническими достижениями. После возвращения на Урал Е. Черепанова назначают главным механиком Нижне-Тагильских заводов. Однако еще до этого времени он много внимания уделял совершенствованию парового двигателя, в чем активное участие принимал его несовершеннолетний сын. В целом Черепановы совместно создали 20 видов различных машин. Однако главным достижением их инженерной мысли был паровоз.
Первый российский локомотив был сконструирован по собственным образцам, он изготавливался из материалов и деталей исключительно отечественного производства. Создавалась по сути дела новая машина, что было связано с определенным риском. Первое испытание паровоза закончилось взрывом котла и травмами его изобретателей. Однако Черепановы продолжили свое дело. В результате 11 июля 1834 г. на Выйском заводе Нижне-Тагильских металлургических предприятий был пущен первый в России паровоз. Как отмечалось тогда в журнале «Горное дело», этот «сухопутный пароход» мог возить 200 пудов (3,3 т) руды и 40 пассажиров со скоростью от 12 до 15 верст (13 – 16 км) в час. Через год Черепановы выпустили свой второй паровоз. Его мощность составляла 40 л. с., благодаря чему он был способен двигать состав массой 16,4 т со скоростью 16 км / ч. За изобретательскую деятельность крепостному механику Мирону Черепанову в 1833 г. была дарована вольная, а через три года – его отцу, который, кроме этого, был награжден специальной серебряной вазой. После смерти отца сын занял его должность главного механика. Он стажировался в Петербурге, Москве, Швеции, но все это уже не имело отношения к локомотивостроению. Ни власти, ни частные лица не поддержали важного начинания Черепановых. Работы по совершенствованию отечественных паровозов были остановлены. Однако именно Черепановы стояли у истоков создания в будущем одной из ведущих железнодорожных держав мира.
Этот статус Россия приобрела в ходе реализации Государственного плана ускоренного железнодорожного строительства, осуществленного в два этапа во второй половине XIX в. За это время была сформирована система управления отраслью во главе с МПС; организована профильная система подготовки квалифицированных кадров, берущая начало с петербургского Института корпуса инженеров путей сообщения; разработана тарифная политика; налажено массовое производство отечественных локомотивов и вагонов разного назначения; а главное – создана разветвленная сеть железных дорог, начиная от Петербург-Московской магистрали и заканчивая Транссибом.
Великий Сибирский путь в конечном своем воплощении стал самой продолжительной железной дорогой мира. Общая протяженность пути поезда «Владивосток – Москва» составляет 9288,2 км, что почти равно расстоянию от экватора до полюса Земли. В начале XX в. сооружение Транссиба по своему значению сопоставлялось с открытием Америки и строительством Суэцкого канала, соединившего Красное и Средиземное моря.
В советское время восстанавливалось железнодорожное хозяйство после Первой мировой, Гражданской и Великой Отечественной войн; внедрялись новые технологии в транспортную сферу; расширялась инфраструктура отрасли; сооружались Московский метрополитен, Турксиб, БАМ. Советский Союз стал родиной тепловозостроения и страной глобальной электрификации путей сообщения. В настоящее время по эксплуатационной длине железных дорог, составляющей 86 тыс. км, Россия занимает второе место в мире после США (159,9 тыс. км). На долю железнодорожного транспорта Российской Федерации приходится более 80 % всего внутреннего грузооборота и 20 % грузоперевозок всех железных дорог мира. После коренного реформирования отрасли согласно требованиям современной экономики данные показатели должны увеличиться.
