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如同车轮早于汽车的诞生一样，在世界上第一辆蒸汽机车出现之前，人们就已经懂得如何借助人力或动物沿着特定轨道拖拽列车。类似地，用火焰加热水产生蒸汽以驱动机器的观念也早于蒸汽机的出现。早在公元一世纪，亚历山大港的希罗（Hero of Alexandria）就发明了人类已知最早的蒸汽驱动机械，称为汽转球（Aeolipile）[1]。该机械是由一个空心球体和一个盛有水的密闭炉具组成的，二者靠空心管连接。对汽转球的锅底进行加热，水沸腾产生的蒸汽会通过管子进入球中，最后蒸汽从球体的两端喷出并使其转动。然而，这个装置的出现更多是作为一种玩物，暂时并未发现其具备任何实用性功能。
| 汽转球Origin: Knight's American Mechanical Dictionary
随后一个多世纪，世界各地都有不同的学者打造出类似于汽转球的实验性装置，但均未被发现具有除观赏以外的其他用途。直到1551年，奥斯曼帝国的博物学家塔基·阿丁·穆罕默德·伊本·马鲁夫（Taqi ad-Din Muhammad ibn Ma'ruf）首次描述了一种具有实用性的蒸汽驱动轮轴[2]。该装置通过将蒸汽导入叶片使其自旋，进而带动轴末端的轮子转动，这一设计与现代的蒸汽涡轮已十分接近。
| 塔基·阿丁的蒸汽动力风扇Origin: Gregory, Olinthus
1606年，西班牙发明家杰罗尼莫·德阿扬斯·伊·博蒙特（Jerónimo de Ayanz y Beaumont）在一次矿难中差点丧命，大难不死的他申请了一项蒸汽泵专利，该装置利用高压蒸汽产生压力差，推动井内的液体或气体排到室外[3]。随后，第一款商用的蒸汽泵由英国工程师托马斯·塞维利（Thomas Savery）于1698年发明，该泵的工作原理与博蒙特的类似，但要更为小巧简易，使其很快得到大规模的应用[4]。
| 塞维利的蒸汽泵原理图
泵在在阀门 A 和 C 关闭、阀门 B 和 D 打开的情况下吸入水
在阀门 A 和 C 打开、阀门 B 和 D 关闭的情况下向上推水Origin: MdeVicente
新装置的引入大幅提高了生产效率，科技进步的速度也不断加快。1712年，英国工程师托马斯·纽科门（Thomas Newcomen）成功造出第一台蒸汽驱动的实用发动机[5]。该发动机在塞维利的蒸汽泵的基础上加以改进，通过引入带有活塞的气泵，使其可以持续运转。蒸汽充入气缸使活塞抬升后，会向缸体加水使其迅速冷凝，从而产生局部真空，在大气压作用下令气缸回缩，以此循环反复。
| 纽科门蒸汽机的原理示意图Origin: Emoscopes
但是这些早期蒸汽机都存在着一个巨大问题，大量的能量被浪费了。以纽科门发动机为例，当活塞回缩后，此时气缸内的温度较低，通入的大量蒸汽并未用于推动活塞运动，而是被用于加热气缸。这一问题得到了英国工程师詹姆斯·瓦特（James Watt）的重视，他提出可以通过增加一个额外的冷凝气缸来提高能源利用效率[6]。1776年，瓦特在纽科门蒸汽机的基础上推出瓦特蒸汽机，采用动力缸加冷凝缸的双缸设计，二者用阀门连接（值得一提的是，这个阀门其实就是高压锅上的泄压阀），解决了需要投入额外蒸汽加热气缸的缺陷。不过瓦特的蒸汽机依然有很大的局限性，因其仍需要依赖大气压来让活塞回缩，而这意味着为了确保蒸汽机运转良好，需要制造更大的缸体。纽科门和瓦特的蒸汽机设计因此也被称作“大气式”（atmospheric）。
| 瓦特蒸汽机的结构示意图
（可见下方添加了一个小的冷凝气缸; 字母K）Origin: Encyclopædia Britannica
虽然在瓦特蒸汽机发明后不久，许多工程师就试图将其应用在载具上，如苏格兰发明家威廉·默多克（WIlliam Murdoch）在1784年就推出了一款微型原型车[7]。但早期蒸汽机受限于材料和制造水平限制，难以承受更高的压力，因此限制了引擎的输出功率，使具有实用功能的蒸汽机车难以研发。此外，瓦特申请的蒸汽机专利要到1800年才能到期，其他工程师难以对其加以改进，也限制了相关技术的发展。
1800年，伴随着瓦特的专利到期及铸造工艺的发展，理查·特里维西克（Richard Trevithick）推出了第一款高压蒸汽机[8]。该型蒸汽机可以在气缸尺寸不变的情况下，输出比以往型号更大的功率，使得引擎体积可以缩小到用于交通运输。高压蒸汽机的出现为现代意义的火车的诞生创造了条件。特里维西克于1802年制造出第一台全尺寸的铁路蒸汽机车，并于1804年实现世界上首次铁路运输，成功牵引10吨铁、70名乘客和5节车厢。该机车后世也以其出发地命名为“佩妮达伦”（Pen-y-Darren）号（同名钢铁厂）或“科尔布鲁克代尔”（Coalbrookdale）号（地名）。至此，蒸汽机车与铁路运输的时代即将到来。
| 世界上第一辆实用性蒸汽机车——Coalbrookdale号Origin: Science Museum, London
伴随着蒸汽机的出现的还有全新的单位，因为当时的人们面对蒸汽动力，发现很难在字典中找到一个合适的标准单位能够比较不同蒸汽机的性能差异。对比分析法是科学领域的一项基本方法，因此工程师们首先想到的是前蒸汽时代的动力“标准品”——马匹。
| 马匹是前工业时代常见的动力来源之一Origin: Smallbones
在塞维利描述其发明的蒸汽泵中，他曾写道：“（这样的）一台引擎可以完成两匹马协作完成的提水工作，而为了完成同样的工作，通常需要十到十二匹马持续工作[9]”。尤其是在瓦特改良了蒸汽机后，他更需要一个直观的单位来证明他的发明要比纽科门蒸汽机更高效。彼时，人们普遍以马匹数量作为动力的参照物。为此，瓦特确定了一匹马可以在一小时内驱动半径为12英尺（约3.7米）的磨盘转动144圈（即每分钟2.4圈），并估算这匹马施加了180磅（约800牛）的力。根据功率公式计算，他求得一匹马的功率约为32,572英尺磅/分钟[10]。
| 马力的计算过程Origin: Wikipedia
这一功率后来被简化为“马力”（Horsepower, hp）。虽然这一概念得到了业界的采纳，但他们也认为瓦特的估算不够严谨。随后，不同学者对马力进行了多次测定，最终在1782年将一马力统一为33,000英尺磅/分钟（约745.7瓦）[11]。此时，可能你对马力的大小依然缺乏直观的认识，如果将人体的输出功率以马力计算：健康成年人的瞬时功率约为1.2马力（0.89千瓦），而持续功率稳定在0.1马力（0.0075千瓦）[12]。因此，当我们提到一辆机车的功率为3000马力时，可以简单想象成有三万名大汉在前面合力拖动着车厢。
但需要注意的是，上述“马力”指的是英制马力（Imperial horsepower）。在使用公制单位时，还存在一个对应的公制马力（Metric horsepower, PS），其定义为将75公斤重的物体在1秒内抬升1米所需的功率，约为735.5瓦，略小于英制马力。
| 公制马力的测算方式Origin: Sgbeer
在蒸汽时代的巅峰，大量新式蒸汽机涌现，瓦特的马力单位虽能用于描述蒸汽机对外做功的能力，但无法比较锅炉产生蒸汽的能力。由于锅炉的设计细节不同，同样标称功率的蒸汽机可能有着显著的能效差异。因此，当时人们需要通过额外测试去评估锅炉的实际性能。为简化这一流程，“锅炉马力”（Boiler horsepower,BHP）在1876年被提出，并最终被定义为212华氏度（100摄氏度）下，每小时蒸发34.5磅（15.6公斤）淡水所需的热功率，相当于9809.5瓦。
虽然如今许多使用英制单位的地区已改用“瓦特”作为功率单位，但在蒸汽时代，在各类资料中出现的依然是“马力”。因此，在正式介绍蒸汽机车的发展史之前，把握马力的概念对后续理解机车的性能至关重要。
现在，你已经掌握了蒸汽机的基本原理，并学会如何计算和比较不同引擎的性能差异。但能创造“火”还并不足够，我们需要学会如何使用“火”。机械（Machine）是一种能利用能源（如人力、水力和热力等）对物体施加力，并控制其运动的物理系统。坡道是最简单的机械之一，它虽然不如那些由齿轮和皮带组成的精密装置复杂，但它允许人们用更小的力抬升更重的物体[13]。
| 坡道是最简单的机械之一Origin: Coyau
早在亚里士多德的时代，古希腊的哲学家就试图分析机械运动，认为像杠杆和滑轮这类简单机械可以拼装成更复杂的系统，用于完成超越人力的工作。到了文艺复兴时期，人们对复杂的机械愈发痴迷，如列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）的草稿中就包含着其对机械可能性的大胆想象[14]。与此同时，拉丁语中首次出现了“mechanismus”一词，用于描述机械的运动方式，这也是现代英语中“机制/机理”（mechanism）一词的来源[15]。
| 达芬奇绘制的军事机械Origin: Leonardo da Vinci
为了更好地理解机械的原理，笔者根据部件的运动方式和主要功能的不同，大致分为三类：结构部件（如框架和外壳）、旋转部件（如齿轮）和滑动部件（如连杆）。其中，结构部件最容易理解，主要用于支撑机械运动，因此下面将重点介绍后两类部件的运动方式。
齿轮（Gear）是最常见的旋转部件，用于传递旋转运动。顾名思义，齿轮的表面布满齿状突起，相邻齿轮通过这些轮齿啮合，从而传递动力。在机械中，齿轮还可以用于改变两个轴的旋转速度和方向。这是因为两个齿轮的结合界面可以近似理解为一个杠杆，即以轮齿为支点，一个齿轮“撬动”了另一个齿轮。因此当两个齿轮的尺寸不同时，其两侧的力臂长度也不同，便会影响转速。这一特性最广泛的应用就是变速箱，使人们无需改变发动机转速就能调节末端轮轴的旋转速度。
| 齿轮机构Origin: Jahobr
凸轮（Cam）是另一类常见的旋转部件，用于将旋转运动转化为线性运动。与齿轮不同，凸轮表面通常只有少数突起，甚至仅有一个。当凸轮被安装在旋转轴上时，若轮轴保持恒定速度旋转，那么这些突起就会定时地撞击某一部件，从而产生周期性运动。因此，在数字控制技术诞生之前，凸轮被广泛用作机械定时器。目前，机械表盘（指电子显示屏以外的任何钟表）仍然使用凸轮结构实现钟表的走时。
| 凸轮机构Origin: Borowski~commonswiki
连杆（Linkage）是最常见的滑动部件，观察我们的人体就能理解其原理：我们的手臂和关节构成了一个简单的连杆机构。当我们试图抓取远方的物体时，手臂的长度并未发生改变，而是通过围绕关节运动，改变手臂相对躯干的位置实现收缩运动。正因连杆围绕支点的运动具有很高的自由度，它在许多机械中得到了广泛应用，如钳子、挖掘机、以及自动门的伸缩机构等。
| 连杆机构Origin: Catsquisher
手臂可以围绕关节旋转，是否意味着连杆也可以像齿轮那样传递旋转动力呢？答案当然是肯定的，而且实际上因其具有接触面小，制造和维护成本低的特点，连杆在蒸汽机车中成为同步多个车轮转速的重要部件。尽管如此，连杆也存在局限性：其运动轨迹受几何限制，当需要实现复杂运动时，必须增加构件的数量，这会增加系统的复杂性和不稳定性，甚至可能导致机械“卡死”。
了解了这些基础部件后，下面让我们来试着拼出一辆蒸汽机车。假设你已经拥有了一台能够稳定输出动力的蒸汽机，并观察到高压蒸汽推动着活塞进行往复运动。首先，你试图将活塞的动力传递到外部，于是你选择固定一个结构部件（譬如一条横梁）在活塞上，成功将动力输出到引擎外部。但此时，轮子显然不能直接安装在横梁的末端。所以你决定设计一个连杆机构，让横梁的运动轨迹能转化为圆弧形。紧接着，你认为引入齿轮可以改变扭矩，并最终将动力传递到车轮上。恭喜你！这一套设计实际上复现了特里维西克在1804年研发的第一辆实用性蒸汽机车。
| 重新回顾 Coalbrookdale 号的外观Origin: Science Museum, London
在英语中，根据轮对数量及牵引马匹数量的不同，马车可划分为多个类型。例如，”Buggy“指代单马牵引的轻型马车，而”Carriage“指由两匹或更多马马牵引的四轮马车。类似地，早期业界为了区分不同规格的蒸汽机车，通常依据其车轮分布方式进行分类。与前述计量单位的使用相似，欧洲大陆国家和英美两国在机车分类上分别采用了不同的命名方式。前者由国际铁路联盟（Union Internationale des Chemins de Fer, UIC）制定和管理，因此被称为UIC分类法[16]；后者由美国工程师弗雷德里克·梅斯文·怀特（Frederick Methvan Whyte）于1900年提出，因而以他的名字命名为“怀特命名法”（Whyte notation）[17]。怀特命名法相对简单易记，尤其是英语资料大多源自英美两国，加之国内蒸汽机车的数量相对较少，因此UIC分类法较为少见。
怀特命名法通常由三组数字通过连字符连接组成，依次表示三种不同功能的车轮数量：第一个数字用于表示安装在机车前端的小轮，用于引导机车顺利通过曲线，因此又称导轮（leading wheels）；第二个数字用于表示机车中部产生驱动力的大轮，又称动轮（driving wheels）；第三个数字用于表示机车后端的小轮，在机车倒行时起到导轮的作用，称为从轮（trailing wheels）。
| 怀特记名法Origin: Colvin, Fred Herbert
举个例子，特里维西克的第一辆机车仅有四个车轮，但都是驱动轮，没有导轮和从轮，因此在怀特命名法中表示为“0-4-0”。而下图是由南满洲铁道制造，后为新中国铁道部使用的“胜利6”型（SL6）蒸汽机车，可以观察到其前端有两对导轮，中部有三对动轮，后端有一对从轮，因此在怀特命名法中记为“4-6-2”。
| 胜利“6”型蒸汽机车Origin: 写真集南満洲鉄道
在蒸汽时代，车轮的分布方式对于列车性能十分重要。受限于材料和驱动方式，早期机车无法实现像现代机车那样全部轮对都可用作驱动轮的设计。为了支撑沉重的锅炉并确保行驶稳定性，部分蒸汽机车必须增加无动力的辅助车轮。关于不同车轮分布方式的性能差异和发展历史，将在后续推文中详细介绍。
与怀特命名法类似，UIC分类法的逻辑也基于车轮分布方式，但其规则要更为复杂。UIC分类法中以轮对（即两侧车轮共用的一根轮轴）的功能为依据，而非单独的车轮。按照字母表顺序，大写字母用于表示驱动轴的数量，例如字母“B”表示两对驱动轮，对应怀特命名法中的“0-4-0”；阿拉伯数字表示非驱动轴的数量，例如“2C1”对应怀特命名法中的“4-6-2”。此外，UIC分类法中还有大量辅助符号用于细化分类，例如角分号（’）表示轮轴位于转向架上，括号用于分隔不同的锅炉单元等。对此感兴趣的读者，可以自行查找详细的分类规则进行了解。
另外，除了”系统命名法“，在英美地区还会效仿海军舰艇同级船的命名方式，取该车轮布局的第一款或代表性机车名称作为这一布局的俗称。例如，“2-2-0”也可称作“行星型”（Planet-type）[18]。
| “行星”号蒸汽机车Origin: G-Man
由于怀特命名法简单易懂，且在英语资料中最为常用，为方便各位读者理解和查阅更多资料，后续推文将全部采用怀特命名法作为主要的分类方式。
蒸汽机的发明及其在交通工具中的应用，不仅标志着工业革命的开端，更深刻地改变了人类社会的运转方式。蒸汽技术的每一次进步都突破了时代的桎梏，为人类提供了更加高效的动力来源。其中，蒸汽机车的问世，不仅使远距离货物运输和人员流动成为现实，也彻底革新了人们对时空的认知。关于早期蒸汽机车设计的演变与创新，将在下一篇文章中详细介绍。