指南针和罗盘的诞生
宋朝时，由于航海事业的发达，在促进其他方面的科学技术大发展的同时，各式各样的指向工具也都应运而生。宋代大科学家沈括在他的《梦溪笔谈》中记载了针形指南针的四种装置方法。
一是水浮法，就是使磁针中部穿在一根灯芯草中，一起悬浮在水面上。二是指爪法（也叫指甲旋定法），就是把磁针平放在指爪甲上，由于爪甲摩擦阻力较小，磁针很容易转动，就会在地磁场的作用下自动地指定南北方向。三是碗唇法（也叫碗沿旋定法），就是把磁针平放在碗唇（碗的边缘棱）上，指向原理与指爪法相同。四是缕悬法（也叫丝悬法），就是用一根茧丝系在磁针腰上，用芥子大小的蜡将它固定好，悬挂在没有风的地方，就会自然指向南北。沈括根据丰富的经验指出，在这四种支承法中，水浮法摇荡不稳，跟指南鱼的效果差不多，指爪法和碗唇法又容易滑落，以缕悬法为最佳。
后来，人们受指南龟用支撑法制造的启发，就模仿着造出了指南针，就是将磁针支撑在底盘上。制造指南针的基本技术在宋代就已经完成。可以说，现在航海上所使用的指向仪器虽然非常精密，但其基本原理和形式还是指南针。
由于指南针的制造和使用，我国人民在世界上最早发现了“磁偏角”的地磁学现象。沈括在他的科学名著《梦溪笔谈》中说：“方家以磁石摩针锋，则能指南，然常偏东，不全南也。”明确指出，指南针并不是指向正南方，而是稍微往东偏一些，“磁偏角”就是沈括为这种地磁学现象所起的名称。这在今天的中学生朋友看来，无疑属于很普通的常识了，因为地球的两个磁极并不恰好位于南极和北极上，而是有一段距离，这样，磁针所指的方向与连结地球南北极的子午线之间就形成了一个偏角，这个偏角在地球上不同的地方，大小是不一样的。我们知道，古代的科研手段是相当落后的，测算磁偏角当然也十分不容易。除沈括发现了指南针“常微偏东”之外，寇宗（shì）也发现了这一点，他说磁针“常偏丙位”，按照中国古人的测算，“偏丙位”，就是说磁偏角在0°～15°之间。欧洲人直到13世纪才知道这个磁偏角，并制造了用以测定磁偏角的磁倾针。但他们却误认为磁偏角是指南针构造不精密导致的。只是在15世纪末哥伦布在远渡大西洋时才确认有这个磁偏角，比我国晚了四百多年。
最初的指南针没有固定的方位盘相配合，沈括所描绘的几种指南针都没有方位盘。到南宋时才出现了罗经盘，或称之为地螺、针盘等，也就是使指南针与方位盘联成一体。这使指南针在航海中有了更加方便和广泛的应用。宋人吴自牧在《梦梁录》中曾说：“风雨晦冥时，惟凭针盘而行，及火长掌之，毫厘不敢差误，盖一舟人命所系也。”在狂风暴雨或天气阴暗之时，全船的身家性命全都寄托在这个针盘上，它能毫厘不差地指示方向，因为它上面有很精细的刻度。宋人曾三异《因话录》中也认为，“地螺或用子午正针，或用子午、丙壬间缝针”，这里的子、午、丙、壬表明针盘是按干支分划刻度的。这种指南针因有精确的刻度，比以前的指南鱼等使用起来方便多了。它的方便之处就在于：在它刻有24向的圆形底盘上，只要看一下磁针在方位盘上的位置，立即就能定出方位来。
需说明的是，罗盘也经历了从水罗盘到旱罗盘的转变。罗盘起初是水罗盘，磁针横贯灯芯，浮在水面上。到明代嘉靖年间才出现了旱罗盘。旱罗盘类似于沈括所描述的指爪法和碗唇法，它的磁针是以钉子支在磁针的重心处，使支点的摩擦力十分小，磁针可以自由转动，静止时，就自然指向南方。这种罗盘用到航海上，又称航海罗盘，上定24向，就是把360度的圆周分成24等分，以15度为一向，亦称为正针。两正针夹缝中另设一向，称缝针。宋朝时，正、缝针就被合并，定48向，每向间隔7度30分。这比后来西方的32向罗盘在定向上精确得多。
值得回味的事情是：指南针从指南勺、指南鱼到具有很高精度的罗盘的发展，是在宋代那些以看风水、看病为业的方士们的手里最先实现的。他们把指南鱼和指南勺磨制成灵敏度更高的磁针，并放到方形的方位盘中，后来演化成圆形的方位盘，就成为罗盘。这一点真是意味深长的：一个指引人们通向新世界的伟大发明，正是经过那些在旧的思想习俗世界中徘徊的人们的手，才推到历史的面前。以致于后来，当我们还沉浸在对“磁偏角”的经验认识和古老简朴的粗糙测算之中的时候，西方大都将磁和电结合起来，进行深入细致的科学研究，从而建立起麦克斯韦的电磁理论，最终将磁针这种东方人的古老发明融进了近现代科学的茫茫大海之中。
指南针在航海中的应用
早在司南出现之后，人们就把它应用于航海之中了。但因为船身在风浪中颠簸和摇荡，司南的指向效果很不理想。即使是指南鱼和指南龟，以及沈括概括出的几种指南针，也不能很好地解决这个问题。罗盘的出现从根本上改变了这种状况。
宋代在我国历史上是一个非常重要的时期，不仅经济、政治的发展出现了许多新的特点，而且文化领域尤其是各种传统的科学技术也出现了空前繁荣的景象，包括指南针在内的“四大发明”在这个时期也都有了一个飞跃性的发展。而与指南针直接相关的航海事业在此时当然也得到了前所未有的发展。中国庞大的商船队不仅航行在南洋一带，而且穿过马六甲海峡，横渡印度洋，与阿拉伯和东非国家发生了频繁的交往。显然，没有指南针，这些都是办不到的。
航海事业在我国确有悠久的历史，至迟到春秋时就已有了航海事业的初步发展。最初在海上航行只靠天文导航，根据日月或其他星宿的位置辨认方向，直到东晋时也还是这样。当时中国的高僧法显由印度乘船回国，他定的《佛国记》一书就说，在海上航行，夜里依靠观星，每逢风雨晦冥、暗无天日、星月隐匿的时候，就只好停下航船，等待天气放晴。唐代也有较好的航海事业，但那时靠什么导航，却没有见到详细的记载。
到了北宋，情况有了根本改观。北宋末年人朱在他于1119年写的《萍明可谈》中写道：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针。”这里记载的是北宋元符到崇宁年间（1098～1106）的事情，这不仅在中国，而且在世界航海史上都是在航海中使用指南针的最早记录。北宋宣和五年（1123），徐竞奉命由海路出使朝鲜，回国后在朱成书的20年后写成《宣和奉使高丽图经》一书，就记载了船上使用指南针的情形：“惟视星斗前迈，若晦冥则用指南浮针，以揆南北。”书中还说，指南针分别在船头和船尾各放一个，以共同辨识方向。前面也曾引述吴自牧对南宋人使用指南针导航的情况。显然，这时的指南针已经开始在海上为人们的现实生活服务，而不再是方士们手中看风水的工具了。
元代的航海事业较宋代有更大的发展，指南针也在长期使用中不断完善，成为航海中最为重要的指向仪器。不论阴天还是晴天，都使用指南针来导航。人们由于航海经验的不断积累和丰富，还编制出了罗盘针路，即航行到什么地方，采用什么针位，一路航线都标记得非常清晰。元朝的航海典籍《海道经》和《大元海运记》，都有许多罗盘针路的记载。明代时，郑和七次下西洋，给后人留下的《郑和航海图》，就详细记载着郑和航海时的罗盘针路。还在元代的1281年，中国航海商船的船长郑震就率领他的海船从泉州载着使臣出国远航，经过三个月时间到达斯里兰卡。当时的沿海航运也十分发达，还开辟了南洋航线和北洋航线，曾把江浙一带的米粮源源运往大都（今北京）。可见，指南针的应用及罗盘针路的出现，使中国古人获得了全天候航海的能力，到这个时候，人类才算第一次真正得到了在茫茫大海上昼夜航行的自由。
航海事业的发展确实得益于指南针的发明和应用。因此，宋代以后，大量的中国船只越出近海，乘千里长风，破万里涛浪，昼夜星驰在南洋和印度洋的惊涛骇浪之间，从而大大促进了中外经济和文化交流。
指南针的西传
在宋元时期，由于中国与阿拉伯国家的交往十分频繁，我国的指南针大约在1180年左右经海路传入阿拉伯，接着又由阿拉伯传向欧洲。
这个时期，阿拉伯商人对乘坐中国船只远航旅游、经商情有独钟，因为中国的船只不仅容量大，而且非常平稳，整个旅程能够过得比较舒适和快活。当时，有很多阿拉伯人在泉州、广州等海港城市居住下来，他们对我国指南针的发展和使用情况也很熟悉。阿拉伯人在很长一段时期里是中国与欧洲进行贸易和文化交流的中介，所以，指南针就很自然地由阿拉伯人传到了欧洲。
著名的英国科技史专家李约瑟博士在七大卷的《中国科学技术史》的巨著中，明确指出，罗盘针用于航海，西方大约比中国落后了两个世纪。这一论断是有充分根据的。因为到13世纪初期，欧洲人才在一些书里开始提到指南针在航海上的应用。
由于有了指南针，欧洲人才消除了对海洋的神秘感和恐惧感，从而自15世纪以来，掀起了一浪高过一浪的航海热潮，不仅导致了世界史上著名的“地理大发现”，而且也使资本主义的资本原始积累在世界范围内迅猛展开，从而在三四个世纪之内就建立起了符合资本主义发展需要的世界市场，进而将人类的历史由区域的、民族的历史转变成全球的、世界的历史。
在15世纪中期，土耳其苏丹穆罕默德的15万大军和360艘左右的战船攻陷了东罗马帝国首都君士坦丁堡。强大的奥斯曼帝国牢牢控制着东地中海，在意大利东方和非洲的贸易线上树起了层层高高的壁垒，这严重阻断了东方通向西方的陆上商路，极大地阻碍了欧洲经济的发展。
但是，欧洲人却因此而对东方的黄金和财富的幻想和渴望更加膨胀和狂热。尤其是意大利旅游家马可波罗的中国游记的激发有着直接密切的关系，陆路的被阻断，使得海路成为这些狂热的东方崇幻者们惟一可以选择的通往东方的道路。在这个时候，希腊人关于大地球形的知识和中国人最先发明的罗盘针都使他们敢于这样想和这样做。而且，据欧洲13世纪出版的航海专著记载，那时西方的指南针已被固定在一个分32个方位格的木制圆盘上，相传第一个这样的罗盘方位标（航海罗经）是由意大利那不勒斯南部阿玛尔菲城的一名工匠制作的。既然指南针使茫茫大海不再神秘，既然东方如此令人神往，处于地中海西端又直接濒临大西洋的西班牙和葡萄牙，凭借它们优越的地理位置，首先开始了这种通往“富庶”东方的海上探险。
意大利的一个织布工的儿子克里斯托弗哥伦布受到一位天文学家的激励，成功地游说了西班牙国王，于1492年8月3日率领三只帆船和90名船员向西航行，横越大西洋，70天后到达巴哈马群岛、古巴和海地。他竟认为这就是他所渴望的东方黄金之地——印度，把古巴误认为日本，并把新大陆上的人称为印度人（印第安人）。现在我们知道，他所发现的是一片“新大陆”即美洲大陆。美洲的全名叫“亚美利加洲”，因后来一位意大利探险家亚美利加重新发现这片土地，确认它不是印度而是“新大陆”，才这样命名的。
指南针在这个时期成了欧洲人发现一个个新景象、新世界及整个地球所不可缺少的东西了。葡萄牙贵族达伽马于1497年沿非洲西海岸绕道非洲南端的好望角远航印度，1499年返回时他的船队满载香料。麦哲伦领导的大规模的环球旅行开始于1519年9月20日，经大西洋绕道美洲南端，进入太平洋，在指南针的导引下，他们顺利地驶过茫无边际的太平洋，到达菲律宾群岛，后又经印度洋绕道好望角而返回葡萄牙。人类的第一次环球航行，实实在在地证明了“地球”的“球”状之说。
新航路的发现给欧洲各国的殖民者带来了财富。从此，非洲的黑人奴隶和他们的象牙、黄金、乌檀木，印度的香料，宝石、鸦片和布匹，锡兰（今斯里兰卡）的珍珠，印度尼西亚的胡椒和大米，中国和日本的茶叶和瓷器，美洲的金银、蔗糖和可可等，都被源源不断地通过大海运往欧洲，从而极大地加速了欧洲的资本原始积累。如果没有指南针在航海上的应用，这一切是不可想象的。
指南针在航海上的应用还使探险家们重新发现了地磁偏角，对近代地磁学的发展和完善，起到了巨大的作用。
我们都很熟悉达尔文对人类科学的巨大贡献，他创立的生物进化论在当时不仅引起了生物学和人类学思想的革命，而且还影响了社会科学中的伦理学和历史学等。而这一学说的实在证据正来源于他长达5年的远洋考察。1831～1836年间，达尔文作为博物学家，乘坐“贝格尔”军航，参加了政府组织的南太平洋考察，这成为他学术生涯的最关键的时期。他通过这次远距离考察，发现了不同地区众多的生物，它们之间的差异和相似性引起了达尔文的长久的思索，从而使他最后找到了能够解释这些大量生物现象的进化理论。可以说，指南针在他的考察中所起的导航作用是无庸置疑的。没有指南针的指导，达尔文能渡过那样广漠无际的大洋吗？
在几个世纪的航海实践中，西方人也没有忘记对指南针进行新的探索和改进。1876年，改制出来的汤普森罗盘（也叫罗经）最终为大多数商船所采用。这是一种旱罗盘，它的指针是一种尖头圆柱形，用丝线吊挂在用薄纸制成的方位标上。整个罗盘的重量不超过20克。英国人登特和里奇还分别在1833年和1855年制成了水罗盘，并于1880年左右得到广泛推广。这种罗盘只是在第一次世界大战后的竞争中才受到陀螺罗盘的威胁。
时至今日，轮船上仍装备着一个备用的传统式标准罗盘，但真正的导航系统已不再是它了，而是一系列电子器件、电脑系统甚至还有天上的卫星。卫星导航系统不仅能非常准确地指示航行的方向，而且能立即标明航船所在的地理位置（经纬度表示）。即使在大风大浪、雪雨阴天之时，也能够在航向上不出错误。指南针似乎已是历史博物馆中的文物了。但在现代导航系统发明以前的几千年里，指南针确是人类征服大海的强有力武器之一。而没有它的广泛应用和不断改进，现代遥感、遥测和信息技术在“指南”上的创造性贡献也就缺乏历史的源流了。
自行车简史
自行车是由骑车人通过脚蹬驱动，利用车把和前叉转向的两轮车交通工具之一，又称为脚踏车或单车。它最早出现于18世纪，距今约有300年的历史。18世纪以来，便有人不断摸索试制各种各样的自行车，自行车的外形和构造经历了一次又一次的改进，终于演变成今天我们日常生活中使用的样子。每一次的改进都是人类智慧的结晶。下面我们看一下自行车的发展史。
二轮车的起源
在原始社会，人类从事采集和狩猎活动，就要搬运收获物。在劳动的过程中，人们开始使用一些简单的交通工具。
起先，他们使用放置在地上的平板拖拉重物，接着又在平板下面安放一些圆直的木棒，利用木头的滚动，搬运较大的重物。
公元前4500年，人们就曾采用最原始的车轮——滚木。受到“滚木车轮”的启示，人们为了减少摩擦阻力，将圆木的中间部分削成细长的轴，两端部分变成原板形的轮子，这为后来轮子的形成奠定了坚实的基础。公元前3500年左右，苏美尔人首先使用了轮子。实体车轮由两三块木板拼制而成。公元前2000年左右，为了使车轮更结实一点儿，埃及人使用有轴车轮，约有4根至8根轮辐。有辐车轮的应用使车的结构轻巧，重量减轻。
在轮子的基础上，人们制造出了车子。世界各地陆续发现的早期的车多是单辕两轮车。我国是最早使用车的国家之一。相传中国人大约在4600年前黄帝时代已经创造了车。大约4000年前当时的薛部落以造车闻名于世。《左传》说薛部落的奚仲任夏（约公元前21世纪～前17世纪初）的“车正”。《墨子》、《荀子》和《吕氏春秋》都记述了奚仲造车。在商代（约公元前16世纪～前11世纪），中国车工已能制造相当精美的两轮车。甲骨文中许多车字表明商代的两轮车已有一辕、一衡、两轭、一舆。河南省安阳县大司空村发掘出商代车的遗迹。中国历史博物馆的商代车模型是一辆精致的两轮车，显示出当时造车技术的高度水平。河南辉县出土的战国时代的两轮车，已使用斜置的辐条，辐条斜置是车辆结构的较大改进。
相传公元前罗马人发明了转向前轴，开始出现四轮车。罗马人又将单辕改为双辕，使一匹马也可驾车。到中世纪欧洲改用悬置车厢和较小的前轮，提高了四轮车的舒适性。中国在汉代以前就出现了四轮车。
公元前13世纪，埃及拉美西斯二世统治时期，在卢克索尔神庙的石碑上刻着许多的象形文字，其中就有一个人骑着一根装着两个轮子的横杆。文艺复兴时期，莱奥纳尔多达芬奇曾经画出过一张两轮车的设计草图，但没有得到世人的重视。1694年，法国人制造出了带有两个轮子的坐椅，由人推动前进。在英国史斯塔克布奇教堂中，有一幅17世纪的彩画，上面画着一个小天使用脚踩着一辆类似于两轮车的交通工具。
双脚划地的二轮车
世界上第一辆自行车是我国科学家黄履庄发明的。黄履庄约是康熙年间（1654～1722）的人。据《晚清野史大观》记载，黄履庄制造的自行车前后各有一个轮子，“长三尺余，可坐一人，不烦推挽，能自行自往，以手挽轴旁曲拐，则复行如初，随行随挽，日足行八十里。”
几十年以后，西方也出现了自行车。1790年的一天，法国人多西夫拉克伯爵正吹着口哨，在雨后的路上走着。突然，一辆四轮马车从他身边急驰而过。西夫拉克来不及躲避，被溅了一身的泥水。他懊丧地回到家中，心想：宽大的四轮马车行驶在窄窄的马路上，会给行人带来很多不便。要是能有一种体积小、重量轻的交通工具多好啊……噢，对了！如果把四轮马车从中间一分为二，不就可以拥有一种小巧的车了吗？西夫拉克立刻动手，把他的想法付诸于实践。就这样，他发明了一辆全部用木料制成的两轮坐车。
西夫拉克制造的两轮车好像是前后安装了两个木头轮子的木马，中间有一根托架，连接着两个轮子。人骑在上面，两手扶住木马的头，用双脚蹬地，借助蹬地的反作用力，使轮子转动，车子前进。它既没有驱动装置，也没有转向的车把。骑车人把脚踩在地上不动，车子就会停下来。在拐弯的时候，人要从车上下来，把前车轮抬起来，以改变车子的方向。当时，人们称这种木马车为“休闲马”。不久，人们对这种车子的兴趣很快淡化了。后来，人们依据自己的喜好，不断修饰着坐车的外形。有的把托架雕成一条龙，有的把它刻成一头狮子。这种早期的自行车更像是一种大型玩物。
1813年，德国马登地区的杜莱西尼男爵也研制出了一种用脚蹬地行进的坐车。这种车的两个轮子纵向装在一个单边的简单木架子上，中间有一个座鞍。人坐在鞍上，两脚交替着前进。这种车仍没有驱动装置，然而骑车人可以将双臂放在一条铁档上，手扶着与前轮相连的木棍，可以自由转动方向。这种车的车身、车轮和辐条都是用木料做的。车架由金属制成，呈马鞍形。车座的高度可以调整。
当杜莱西尼男爵骑着车，出现在马路上时，他和他的车便成了人们的笑料。杜莱西尼因此丧失了本该可以领取的退休金。他死的时候，不名一文。但是，杜莱西尼的车在英、法、美三国却风靡一时，成为一种消遣品。1817年，这种车在巴黎卢森堡公园首次做公开表演，重新燃起了人们对两轮车的兴趣。人们在公开场合骑车取乐。英国人称这种车为“游乐木马”。英法两国建造特别的场地，玩这种新运动。
1818年，德国机械师多拉希斯把西夫拉克发明的木马式自行车的头进行了一番改造，给它加上了转向装置，即车把。骑车人双腿分开，跨坐在车上，转变车把，就可以改变车子的行进方向。这种自行车前轮小，后轮大。行进的动力依然是靠双脚划地。然而，高明的骑师骑着这种车，甚至比马车跑得还快。
脚蹬式自行车
1839年，一位名叫阿克帕特里克麦克米伦的苏格兰铁匠带来了自行车史上的一次革命。他发明了放置在后轮的脚驱动装置，放置脚蹬。骑车者用脚踩着脚蹬，通过安装在后轮上的一个曲柄系统，就可以带动后轮前进，使车行走。麦克米伦改变了长期以来人们一直以为“只有靠双脚划地才能使自行车行走”的观念，使骑车者不再用双脚踏地，提高了自行车的速度。麦克米伦制成了世界上首辆真正的自行车，自行车开始进入了实用和商业制造阶段。但是，他的车也有缺陷，那就是骑车人很难踩动脚蹬。
1861年，法国的马车制造人皮埃尔米绍在修理杜莱西尼式自行车的过程中，采取儿子欧内斯特的建议，将脚蹬和曲柄直接安装在自行车的前轮上。这种车使用的是无弹性的木轮子，骑起来特别颠，所以被称为“震骨器”。它也没有车闸。人在快速骑行时，要费很大的力气才能刹住车。但是，这种交通工具毕竟能够以车代步，所以得到了大家的认可，很快便风行欧洲。人们按照拉丁文“快”和“步行人”的意思，把这种车叫做自行车。就连妇女也开始借助自行车，积极参加各种社交活动。19世纪60年代，有一位名叫阿米利亚布卢默的服装设计师，顺应潮流，专门为骑自行车的女士们设计了一种新的裤装，即女式灯笼裤。1865年，米绍公司制造了首辆由脚蹬直接驱动前轮的自行车。卖出的脚蹬式自行车达到400多辆。米绍的合伙人之一皮埃尔拉勒芒移居美国，与美国人杰姆卡罗共同开创了美国的自行车工业。1870年，英国的考文垂市开始生产米绍改造的自行车。
1867年，美国人卡涅尔斯和英国人马利卓用细金属条制作轮辐，使自行车的重量减轻了很多。
1868年，实心的橡胶轮胎的出现，减轻了自行车在行进中的震荡。
链条式自行车
1869年，法国的基鲁美发明了带链条的自行车，这是一种全新的自行车。脚蹬带动一只链轮，链轮又通过链条带动后轮转动。可惜，基鲁美在1870年的普法战争中阵亡，他发明的自行车被堆放在粮仓中，无人问津。
1870年，英国人詹姆斯史泰龙在前人的基础上进行了大胆的创新。他也是将脚蹬装在前轮上。可是他的车的模样看起来怪怪的。车座有一人高，上下车和拐弯都很不方便。车行驶起来也不稳当。由于车的速度依赖于前轮，所以前轮的直径几乎长达1米～1.2米，后轮直径为0.4米，前轮大约是后轮的3倍。人骑在上面，颇有点儿耍杂技的味道。鉴于这种车的奇特形状，人们戏称它为“大小钱”，或者叫它“114便士”。史泰龙的自行车采用金属制造，并且采用橡胶实心轮胎。这种前轮大、后轮小的高轮车也有长处，那就是速度相当快。尽管人们认为它“危险性大”、“稳定性差”、“过于笨重”，然而，19世纪七八十年代，它完全占领了欧洲市场。英国则掀起了一股单车比赛热。1878年的泰晤士报曾写道：“单车手都曾经受到过警告，他们是在从事一项冒险的运动。但他们衡量了付出的代价后，认为值得冒险。”高轮车直到1885年才被淘汰。
1879年，英国人劳森最先将曲柄和脚蹬放在前后轮中间。他造出了一辆有链条驱动，有X型车架和车座较低的自行车。技术上的革新极大地提高了自行车的行驶速度和稳定性，劳森发明的自行车被誉为“安全自行车”。
1871年，发明家们用钢管制作自行车车架，增强了车子的坚固程度。
1880年，自行车上普遍应用了滚珠轴承，车速加快了，骑起来也轻巧多了。
1885年，英国工业家斯塔利设计出首辆链条式自行车的样车。安全自行车的前、后轮一样大，直径约0.76米。骑车人可以舒适地跨坐在两个轮子之间。脚蹬和后轮之间联结着一根链条。脚踏柄的尽头有一个链轮。骑车人用脚踩动脚蹬，链条就会带动后轮向前滚动，这便是齿轮传动装置。此时，自行车的外形已经和今天的自行车非常相像，自行车的结构基本定型。骑车已经成为公众喜爱的业余活动，同时又是重要的交通运输手段。
1887年，在英格兰，有一位名叫约翰邓禄普的兽医，他的儿子为了在即将举行的单车比赛中战胜自己的同学，恳求邓禄普想个办法。邓禄普别出心裁地将废弃的旧胶管黏结成两个环，打足了气后，把它们分别绑在单车的两个轮子上。这便是最初的充气轮胎。比赛的那天，大多数同学都使用实心橡胶轮胎，他们对邓禄普发明的新奇玩意儿不屑一顾，嘲笑其为“木乃伊”或“布丁”。结果，邓禄普的儿子获得了冠军。第二年，在朋友的劝说下，邓禄普申请了充气轮胎的专利权，新闻媒体大肆宣传。一位爱尔兰的实业家与邓禄普合股经营，生产这种充气空心轮胎。于是，单车逐渐成为大众喜爱的交通工具。到1888年时，全世界已有30万辆自行车。
1892年，芝加哥人帕默发明了棉花轮胎。
高轮脚踏车不适合妇女使用，于是，没有横杆的自行车出现了。1893年，又制成了双人乘骑车，妇女穿长裙也可以骑车。
1893年，菱形车架被公认为最常用、最便宜的车架形式。它由三个三角形构件和一对叉子组成。
20世纪的自行车
从1900年起，自行车基本上没有多少重大的改革。只是通过更新颖的设计和使用较轻的铝合金材料，使车身的重量减轻了。1939年，世界自行车年产量为700万辆左右。第二次世界大战以后，用油少的轻便摩托车的出现使自行车市场受到冲击，自行车的销量下降了。60年代末，成人用的标准自行车的车轮直径为66厘米，儿童使用的自行车车轮为41厘米。一般装有3段～5段变速，还有的高达10段。60年代开发出轮径41厘米，具有高、直方向盘的折叠式自行车。到了70年代，自行车行业又重新兴旺起来。美国每年生产自行车600万辆；日本生产450万辆，出口100万辆；英国国内销售70万辆，出口89万辆。70年代初，全世界自行车的年产量已达3600万辆。
自行车的零部件制作与自行车本身的发展并驾齐驱。外胎用天然橡胶含量较多的原料制成，内胎用人造丁基橡胶为原料。驱动装置主要是链传动。变速器有叠片链轮变速和行星式变速两种，它们都有几档不同速度。制动机构主要分为轮缘闸和轮毂闸。前者以手闸应用最为广泛，具有牢固、刹车性能好等特点。后者有涨闸和脚闸。涨闸大多用于轻便车；脚闸比较安全、可靠，不受油、水或者气候的影响。车灯主要以电池为电源。鞍座多为弹簧座，便于配换。70年代起，又出现了模压塑料鞍座，但易于变形。
90年代，为了保持自行车车体自重轻的优点，众多的生产制造商不仅用铝合金制造前轴壳、后轴壳、车闸、车圈、车把、脚蹬、车架、前叉等零部件，还开始采用钛合金和碳纤维制造车圈和车架，大大减轻了自行车的重量，增强了车子的牢固性。近年来，美国、日本和台湾的一些自行车厂家使用碳纤维生产的自行车，重量只有1.6千克～2.4千克，其轻巧程度让人叹为观止。
为了达到骑行便捷的目的，变速自行车的变速比不断升级，从5速、10速、18速、21速发展到24速。车把也集制动、变速、导向等多功能为一体。调速的时候，手不离闸，不会影响制动和导向，安全性得到保障。变速车轻便，灵敏度高，从链轮带动整个链子，并牵动另一个小链轮。它的变速装置适用于不同的地形。高齿轮用于下坡，低齿轮用于爬坡或抗风。另外，它还有前后轮缘缆线煞车装置，握住手上的杠杆，就可以减速。
与此同时，各自行车厂家也将目光转向了自行车的外形。随着美观大方已成为人们的审美标准，厂家不但给自行车加上了五颜六色的漆膜涂饰，而且生产出包塑产品。车架有菱形的，也有非菱形的。1962年，英国工程师摩尔设计出一种新型车架，用一根粗的椭圆形管作为主横梁，它上面伸出两根平行管，作为鞍座管和前轮管，近年来被许多厂家采用，制造16英寸的小轮车。车架有前避震的、后避震的，也有前后混合避震的。自行车的品种也日新月异。
庞大的自行车家族
通过不断的改进，现代的自行车大体可分为以下几种类型。
第一种是普通型自行车。这种车结构牢固，骑行轻快，可装载适量的东西，适合在城镇道路上使用。
第二种是载重型自行车。其外形和尺寸没有多少变化。为了负载重物，前叉、钢圈、辐条、后搁物架进行了特殊处理，增加了车子自身的重量。
第三种是轻便型自行车。它重量轻，结构精巧，骑起来轻巧平稳，便于搬动。轮径一般为28英寸或26英寸。轻便型和普通型自行车有专为女士设计的样式，它的车架上没有横杠。
第四种是小轮型自行车。这种车是专为妇女、儿童和老人设计的。它轮径小，一般在22英寸以上。1980年，法国人让弗朗索瓦基利西为他设计的城市小轮自行车申请了专利。这种自行车的轮径仅为传统车轮的1/2；车把采用中继式操纵，减小了车身的摆动，提高了制动性能和轮胎与地面的附着力；车上还有自动装置，将制动力平均分配在前后制动器上，所以自行车行驶平稳，制动舒适。1981年，英国的产品系统有限公司造出了一辆微型自行车——布朗斯顿自行车。车上装有多处活动关节，便于折叠。折叠后的车子的体积比现在市场上出售的任何一种自行车都小，人们甚至可以把它装在一个手提箱里，随身携带。
第五种是赛车型自行车。它着重于减轻车重和便于骑车人发挥驱车力量。轮径多为17英寸。
第六种是助动车。有发动机助动车和电力助动力。前者的油耗在每100千米1.5升之内，最高车速可达每小时25千米。近年来，我国的一些城市先后生产了很多辆助动车。后者带有小型发电机，依靠车轮的摩擦带动。
20世纪后期问世的山地车已成为世纪自行车的主流。山地车于80年代在美国出现，如今已遍及欧洲、日本、大洋洲和广大第三世界国家，占据了1/2以上的世界市场。它的速度可以通过大小齿轮自动调节，上坡时省力，内外胎加宽，越野性能极强。山地车派生的款式已达上百种。随着科技水平的不断提高，国际市场上正兴起一种带有避震装置的自行车。
另外还有独轮脚踏车、可以装卸的边车、载客三轮车、货运三轮车。美国人查尔斯曾经用银元（直径0.038米）做车轮，制成了世界上最小的自行车，轮距为0.07米。车座离地0.178米，脚蹬为0.02米。
自行车家族的成员可谓众多。
自行车竞赛和旅游
自行车运动已经有一百多年的历史。1800年，俄国工匠阿尔塔蒙诺夫用铁打制成一辆自行车，它的后轮比前轮小，装在车轮上的连接杆和踏板可以使车子运转。同年，阿尔塔蒙诺夫骑着自己制造的车，进行了长达五千多千米的旅行，引起了社会的轰动。
1830年，法国勃艮第的一位运动员骑着杜莱西尼式自行车，用两个半小时完成了从博讷到第戌的长达37千米的行程，速度为每小时15千米。
1868年5月31日，法国的奥利维兄弟在巴黎举行第一次自行车赛，这一天标志着自行车运动的诞生。次日，英格兰举行首次自行车赛。
1869年11月7日，巴黎和里昂举行了世界上首次城市间自行车赛。一位英裔法国人詹姆斯摩尔骑着前轮大、后轮小的自行车获得了冠军，他用10小时24分钟跑完了124千米的路程。
1891年，法国首次举行充气轮胎式自行车赛，赛程从波尔多到巴黎，长达580千米。同年，巴黎至布雷斯特又举行了带回程的自行车赛，全程达1200千米。
1891年，美国纽约市首创六日赛，即两人一组，在1600米的椭圆场地比赛，全程为3368千米。这项比赛于1894年改为接力赛。二战前，这项竞赛还盛行于纽约、芝加哥和其他各大城市，在欧洲也吸引了众多的参赛者。现在，比赛规则已被修改的六日赛仍然进行着，但是时间固定在夜间。
1900年，美国联合比利时、法国和瑞士，组成国际自行车联盟（简称VCI）。现代自行车赛的规则和项目就是由这个组织制定的。VCI具有70多个会员国。
根据国际奥林匹克委员会的要求，1965年分别成立了国际职业自行车运动联合会和国际业余自行车运动联合会，后者有100多个国家参加。比赛分为公路赛、赛车场赛和越野赛。公路自行车赛又分为市镇际赛、团体环程赛、个人计时赛、团体计时赛、分段赛，分段赛中又以环法赛最为著名。它始于1903年，全长4000千米，每年世界一流好手都云集于此，起点与终点都在巴黎。这一天被称为“人民的节日”，比赛被称为“社会性事件”。此外，还有绕埃及赛、意大利为期三周的吉罗杯、环突尼斯赛等。赛车场自行车赛分为短距离赛（竞速赛）、追逐赛、中距离赛（用摩托车导引）、计时赛。越野赛于20世纪初兴起于法国，由于自行车广泛用于军事行动而引起的。它要求运动员骑车在崎岖不平的路上行进，在60～75分钟之内跨越天然障碍和人为障碍，完成比赛。
自行车球则是盛行于欧洲的业余自行车运动项目，它是从足球运动演变而来的。队员骑着自行车，用车轮拨动直径为1.8米～2米的球，使之进入对方球门。
自行车不仅成为比赛工具，还成为旅行和休闲工具。世界各地的人们骑车进行户外旅游。娱乐性自行车运动受到普遍的欢迎。为此，一些国际性的自行车组织和俱乐部应运而生。
1878年英国成立的车友旅行俱乐部，是当时世界上最大的自行车俱乐部。1880年，美国创立了美国轮友联盟。1882年，加拿大成立了轮友协会。1895年，法国建立旅行俱乐部。国际业余自行车联合会的总部设在意大利罗马，目前有160多个会员国。总部设在日内瓦的国际旅游同盟，每年组织一次国际自行车旅游世界大会，目的是增进世界各国人民的友好往来，促进彼此观光交流。
这些国际性的自行车组织和俱乐部，拥有许多青年旅社，负责有关的旅游事宜，如：要求各国政府准许自由通过国界，为旅游者提供自行车，建立夜宿中心旅游营地等。
世界上第一个徒步和骑车周游世界的旅行家是我国的潘德明。他自幼喜爱体育运动，尤其喜爱探险，立志周游世界。为此，他阅读了大量有关世界地理和各种旅行的书籍，并自学了几种外语。1930年，22岁的潘德明从上海出发，开始徒步旅行。经过浙江、福建、广东、香港，到达越南，一天最多可以走75千米。在西贡，他买了一辆自行车，开始骑车旅行，每天行进的路程超过了190千米。他从越南经金边、马来西亚、印度、阿富汗、伊朗、阿拉伯、土耳其，游遍欧美各国，渡太平洋，取道日本回国。此次环球周游世界历时7年，行程数万里，途经40多个国家。潘德明留下了许多宝贵的资料，其中有所到之处加盖的邮戳，近1200多个团体和个人用世界几十种文字书写的签名和题词。
自行车的远大前程
20世纪以来，世界交通运输技术迅猛发展。随着经济的发展、人民生活水平的提高，汽车逐渐家庭化、私人化。在以绿色（无污染或低污染）化、高速化、智能化为基本发展趋势的21世纪的交通史上，自行车会不会被挤入历史博物馆呢？答案是否定的。因为与众多的交通工具相比，自行车有其独特的优势。
一是价格便宜，购置费用少。自行车的价格是汽车价格的几十分之一，乃至上千分之一。在我国，随着改革开放的深化、市场经济的发展，拥有私人小汽车的人越来越多。然而，普通老百姓和一般的工薪阶层仍然是以自行车为交通工具。一辆普通自行车只需要一二百块钱，高档的山地车则需八九百元钱，一般的家庭都能承受得起。何况，与汽车相比，自行车的保养维修费用少，也不需消耗能源。
二是占地面积小，易于停放。自行车不像汽车那样，需要专门的停车库或停车场。它体积小，可以随便放置在适宜的地方，节省空间。同时，自行车停放方便，便于换乘其他交通工具。
三是使用灵活、便捷。自行车方便个人出行，可以直接从出发点到目的地，省去了坐公共汽车的麻烦。骑车不受时间、气候的影响和空间、地域的限制。在交通拥挤、汽车寸步难行的地方，自行车可以游刃有余地穿行于空隙之中，骑车人不必忍受交通堵塞的煎熬。在行进的过程中，骑车人想走就走，想停就停，十分自由。
四是无污染，无噪音。自行车靠人力驱动，不需要燃烧燃料。而像汽车、公共汽车等燃烧柴油或汽油，获得前进动力的机动车辆，排放出大量的废气，污染了空气，并且还产生噪音。
五是有益于身体健康。英国的科学家证明，经常骑自行车能降低高血压患者的血压，因为腿部不停地运动，可以促进全身血液循环。法国生理学家则认为骑自行车可以治疗神经衰弱症和精神紧张症。我国学者发现骑自行车有助于防治或延迟脑溢血的发生。人们意识到骑自行车是一种很好的锻炼身体的运动方式。
由此可见，作为一种绿色交通工具，自行车的前景仍然光明。
火车简史
火车的今天既是它昨天漫长而曲折地演变过来的结果，也是火车奔向明天的坚实起点。但人们对未来的憧憬往往超过对过去的回顾。而对火车来讲，从火车、列车到“地上飞机”的演进，从缓慢、肮脏和不安全到高速或超高速、洁净舒适、安全便利的发展，应该是一个令人感兴趣的话题，因为这里面既体现了人类对理想生活的追求，也凝结着众多科学家和工程师们的智慧和汗水。
火车的诞生
火车，顾名思义，是以火力推动的车，这是铁路列车的俗称。尽管现在的火车已大多不再用火力驱动蒸汽机来牵引整列车的运行，但人们还是习惯地叫它“火车”。下面就来看看真正的“火”车是怎么来的。
在出现汽车和火车之前，陆路上的交通运输曾长期依靠人力车或畜力车如马车等，甚至19世纪以前的煤矿也大都用马车来运煤。
而早在16世纪，就有人在矿井里铺设木轨来使矿车更快地行驶。在最早发生工业革命的英国，在17世纪时使用和矿井中的木轨类似的木轨路，用马车将煤炭运到离矿井较远的煤仓。后来，人们为了延长木轨的寿命，就设法在木轨上包一层硬木，进而包上一层金属，到最后干脆直接用生铁铸造的铁轨代替木轨，但在上面奔跑的仍是马车或人力推动的车。由于路轨对车轮的阻力要比普通路面小得多，因而一匹马常常可以拉好几节车厢。这好几节车厢组成的车就是“列车”，但还只是“马车”而不是“火车”。
在17～18世纪，虽然蒸汽机已经发明出来、并在纺织业等广泛应用开来，但因其笨重、效率较低而不能用在列车上，即使是当时最先进的瓦特蒸汽机，也还是不适用于“列车”。发明一种适用于“列车”的蒸汽机已经成了紧迫的需要。
历史刚刚进入19世纪，这样的蒸汽机以及由它驱动的“机车”就应运而生了。它的发明者是英国机械师理查德特莱维西克。他为制造机车而特意发明了高压蒸汽机，充分利用了瓦特已经发现而未予应用的蒸汽膨胀的能量。1802年～1803年间，他制造了世界上第一台蒸汽机车，之后不久他又造出了第二台蒸汽机车。1804年2月21日，这台处于试验运行之中的机车牵引着6吨重的列车（包括数节客车），以每小时8千米的速度行走在一条15千米长的铁路上，而在空载时可达20千米的时速。但是，这辆机车并没有取得预想的成功，因为，锅炉安装不当，机车振动较大，用生铁铸造的铁轨因很脆而经不起沉重的负载和冲击，竟然多处断裂。加之，这种机车消耗太大，经济效益差，甚至不如传统的马车。特莱维西克因此也就未在这方面继续努力而转向其他事业了。但应该铭记的是：世界上最早的铁道上运行的蒸汽机车正是他于1804～1808年间制造的原型机车及英国人赫德利于1813年制造的机车。
1812年，英国人布伦金索普设计制造了一辆机车，并最早开始成批生产，这种布伦金索普机车安装的仍是普通锅炉，所以速度仍然很慢，并且它是行走在有齿的轨道上。这种机车一制造出来，就开始投入商业运行。一直到1853年，才为新型的蒸汽机车所代替。
真正推动火车发展的是两位最主要的先驱者乔治斯蒂芬孙和他的独生子罗伯特斯蒂芬孙。乔治斯蒂芬孙在少年时代就以做工谋生，成年后才开始读书。他学习异常勤奋，很快获得了一个机械师所应具备的知识。1814年，他制造了他的第一台机车，时速只有6.5千米。但他将蒸汽活塞的连杆与机车车轮直接相连，省去了毫无必要的飞轮和齿轮，充分利用了车轮和机车的惯性运动。这是机车制造上的一个重大改进。到1821年初，斯蒂芬孙担任从斯托克顿到达林顿的铁路工程师，将原来带异向凸缘的“钣轨”改造成适合于带凸缘车轮的机车的车辆形状简单的“边轨”。当他得知有人能轧制出3米长的熟铁铁轨后，就毅然选择了这种不易断裂的熟铁轨。颇为有趣的是，这条长40千米的铁轨建成后，既供机车使用，也供马车使用，而旅客们都愿乘马车。因为机车不仅噪音大，而且速度太慢，甚至还受到了马车夫的嘲笑。对斯蒂芬孙的这种机车，至今还流传着一个笑话，说他的机车因鸣叫声过大，在路过一座农民小院时，竟把农家的母鸡惊吓得不下蛋了，斯蒂芬孙因此而受到这家农民的控告。
但是，没有什么力量能够阻止机车的发展。1828年，乔治的儿子罗伯特斯蒂芬孙设计制造了一种改进的机车，被誉为“火箭”号。在1829年的一次著名的试车中，它以每小时22千米的平均速度行驶了96千米，在满载乘客的情况下，它最快曾达到46千米的时速，空载时速不超过56千米，从而证明了蒸汽机车的巨大潜力。“火箭”号的成功依赖于两项关键技术：一是采用了1827年12月由法国人马克塞甘发明的管式锅炉，它汽压高、热效高而且轻便；二是将排出的废蒸汽用管道引到锅炉烟囱口排出，高速汽流形成较大负压，使锅炉得到强有力的鼓风，燃烧效率大大增强。同时，“火箭”号的成功还标志着铁路运输事业的诞生，因为与蒸汽机车相比，马的奔跑速度通常为每小时46.8千米。可以说，斯蒂芬孙父子建造的这辆世界上第一台大蒸发量机车开辟了人类铁路运输的新纪元。其实，当时与“火箭”号进行比赛的还有“新奇”号和“桑士巴里”号，前者设计漂亮，但挂上车厢后，锅炉爆炸了。后者块头儿大，开动时轰轰隆隆，浓烟滚滚，不可一世，但走了约44千米，许多零件就掉落，汽缸也破损了。随后，便在1830年，在利物浦和曼彻斯特之间就铺设了世界上第一条完全靠蒸汽机车牵引行驶的铁路线。
机车制造的迅速发展
斯蒂芬孙父子并没有陶醉于“火箭”号的成功之中止步不前，而是继续探索，不断改进机车的结构和功能，力求使机车能在功率、速度和载荷量上满足日益增长的工业产品的运输需要。
1833年，斯蒂芬孙父子设计出了“专利获得者”号机车，与他们此前制造的机车相比，这辆机车在锅炉的胴体下面加装了一根车轴，这是为了保证安装了大容量锅炉而使机车自重增加后的行车安全而加装的，这就是三轴机车。“专利获得者”号的命名，是因为它的发明人为保护这一发明，已在1833年10月7日获得了专利证书。
父子俩还在不断努力。儿子罗伯特斯蒂芬孙于1841年研制成了“长锅炉”号机车，也是在锅炉胴体下安装了三根轮轴：一根承重轴和两根驱动轴。与“专利获得者”号相比，这辆机车的烟管长度从前者的2.75米增加到4米，从而大大减少了热能的损失。但机车的前后轮的距离却因为要适合已有的铁路和众多的转车盘而没有变化。
受“长锅炉”号机车的启发，英国人托马斯拉塞尔克兰普顿根据自己研究出来的原理，决心制造出一台高速机车，并能克服“长锅炉”号的不足，即因火箱安装在悬臂梁上而降低了机车的稳定性。克兰普顿把一对动轮移到火箱下方，而在锅炉胴体下方仅保留两对车轮。这样，1846年在比利时列日—那慕尔铁路线上，当他造出的克兰普顿机车投入运行时，就轻而易举地达到了100千米的时速。到1848年，应伦敦西北铁路公司的要求，他为伦敦—沃尔弗顿铁路线设计制造了一台超大型机车，时速达到了127千米。但遗憾的是，这台高速机车因很容易引起钢轨的疲劳而在运行不久就被迫“退役”。尽管如此，克兰普顿还是在欧洲大陆取得了巨大的成功。比利时把引进的两台原型克兰普顿机车作为样机，造出了多台蒸汽机车。在法国，克兰普顿机车曾经称霸于整个第二帝国时期，只是在后来出现了更大功率的机车之后，它才被逐渐淘汰。
此后，高速载重机车的制造便成了人们追求的重要目标。当时人们总认为高速机车的大直径车轮是不能互相联接的，因为这样会带来巨大的危险。法国人维克托福尔格诺从1862年开始研究这一问题，终于找到了解决办法。他在轴箱里设计了一些倾斜平面，以便使前轴在铁路拐弯时产生位移，而在直线段恢复正常位置，这有效地避免了连杆和曲拐销发生断裂的危险。1864年，他制造出世界上第一台装有两副联动驱动轮对的高速机车。几年之后，福尔格诺又在火箱后方加装了一组承力轮对。这样，福尔格诺机车便获得了空前的成功。到1885年，行驶在各大铁路公司所属干线上的福尔格诺机车，已经有好几百辆了，尤其在法国西南部的巴黎—波尔多干线上，这种机车使列车达到了史无前例的高速度。
1875年，法国人阿纳托尔马莱为巴约涔—比亚里茨铁路支线研制成世界上首批复胀蒸汽机车，这是一种适宜于低速行驶的牵引机车，根据双缸式蒸汽机的原理进行工作，具有更好的热效率。1881年，英国人韦布将马莱的这一成就用于高速机车，同样取得了成功。韦布的这辆“试验”号机车运行平稳，速度为每小时80千米～90千米，而耗煤量却比传统的机车降低了20%，达到了节约能量消耗的效果。
同时，提高蒸汽机车的功率和速度的研究在20世纪之初取得了可喜的成绩。1905年，人们在1872年就首次在美国密苏里太平洋铁路线上运营的“太平洋”号机车上，进行了重大改进，使它所产生的功率达到2200马力，机车的运行速度又有了很大的提高。
大约在1900年前后，一种叫做“大西洋”号的新型蒸汽机车出现在美国费城—大西洋城之间的铁路线上。之后，人们又不断对它加以改进。从1901年开始，欧洲各国开始采用这种功率为1500马力的机车，虽然在1905年，2200马力的“太平洋”号机车对它造成了很大冲击，但它还是赢得了巨大成功。在第二次世界大战前夕，法国巴黎—里昂—马赛铁路公司对它进行了流线型化改装，然后在巴黎—尼斯高速铁路线上继续运营。
在19世纪末，随着电气化技术的迅猛发展，电力得到了大规模的应用，把电力应用于机车的探索及铁路电气化也取得了令人瞩目的成就。世界上第一台电力机车是1895年在美国巴尔的摩—俄亥俄铁路线上开始运营的，这台机车重96吨，采用550伏特的直流电源供电。1901年，法国巴黎—残老军人院铁路线实现了电气化。第二年，这条电气化铁路延长到了凡尔赛。1903年，巴黎市郊奥尔赛—巴黎—奥斯特利茨—儒维西铁路线也实现了电气化。在德国的措森—马林费尔德铁路上，一台电动机车于1902年就首次达到了200千米的时速。但是，由于电气化技术尚处于它的初级阶段，受到电厂功率和远距离输电技术的制约，铁路电气化并没有以理想的状态发展起来，人们仍在机车的制造上孜孜求索。
1912年，瑞士一家工厂制造出了世界上第一台柴油机车，这就是内燃机车，功率为1200马力，显然无法和当时的大功率蒸汽机车相比。在此之前，“汽车之父”——德国人戴姆勒已经造出了一辆柴油轨道车。只是当人们发现了将发动机和轮轴之间的机械传动改为电力传动的技术之后，传动更加猛烈的柴油机才被应用于列车的牵引。同年，由“大西洋”号原型机车改进而来的“大山”号蒸汽机车在美国正式投入运营，这是一种大功率高速机车，其功率为2700马力，自重112吨。从1930年起，“大山”号的多种改进型机车功率已达3200马力。在这期间，日本作为后起的工业化国家，也在机车制造上做出了优异成绩，其中的2-8-2日本天皇型机车，就是最优秀的货运机车。
铁轨的历史
最早的路轨并不是铁轨，也不是木轨。早在木轨之前，就出现了石轨。因为据史书记载，古代一些文明国家里，人们已经在道路上用石头砌出车辙，引导车轮前进。这种石轨直到中世纪才被逐渐废弃。而在1550年的史料中却发现了这样的记载，在法国阿尔萨斯地区勒贝尔塔尔煤矿使用木梁作矿车轨道。而在17世纪，木轨则被广泛应用于英国各地的煤矿之中。直到1738年，在英国的怀特黑文出现了钉有加强铁皮的木梁轨道。
世界上最早的铁轨是在1763年～1768年间安装在英国霍斯贝和科尔布鲁克代尔之间的，据说这是英国工业家、一家铁厂主亚伯拉罕达比的女婿理查德雷诺兹的杰作。但是，它不同于我们今天所使用的铁轨，而是一种用来承受无轮缘车轮的凹形铸铁铁轨。
这一系列的车辆导轨系统演变的必然结果，就是制造出我们现在使用的凸形铁轨，它是英国人杰索普于1785年设计的。之后，凸形铁轨又经过不断改进而日臻完善。到1820年，约翰伯金肖制造出了锻铁轨。当普遍采用了蒸汽机车之后，锻铁轨就让位于钢轨了。还应注意的是，我们现在多条线路交汇处使用的活动道岔技术也是杰索普的发明。在1665年前后，人们曾在凹形铁轨上使用过多种固定式交汇设备，这是由木轨交汇设备——转车盘演变而来的。到1789年，杰索普发明了活动道岔设备，后来人们又在道岔手柄上加一配重，这使列车通过时，扳道员不必始终紧紧扳住手柄了。
在铁路建设史上，值得回味的还有这样两种铁路。一种是大气压力铁路，一种是有齿铁路。前者的原理是由丹麦人梅德赫斯特1827年提出来的，他设想以大气压力作为车辆的原动力。为此，他曾亲自试制了一条管道大气压力铁路，由于无法解决管道的密封和拉杆移动之间的矛盾而未获成功。1835年，英国人平卡斯首次进行了气压列车试验。1843年，冰岛人克莱格和萨曼达在冰岛修建了一条大气压力客运线路，但却从未完成过一次正常的客运任务。1847年，在法国巴黎建起一条长2200米的气压铁路，但因其高差竟达51米，尤其是经济效益极差而于1859年被迫关闭。气压铁路的探索便由此画上了句号。
有齿铁路是瑞士人里金巴赫为了适应坡度大于6%地段的火车运行而于1862年设计的，它受到了布伦金索普机车行走系统的启发。1868年，在修建美国华盛顿山铁路时，为使火车能爬上30%的坡路（即每米上升330毫米），西尔威斯特马什采用了里金巴赫的设计。1870年，在瑞士里格伊开通了欧洲第一条有齿铁路。中间经过一系列的改进和完善，终于在1899年完成了世界上海拔最高的有齿铁路——瑞士少女峰铁路，其坡度之大，每米竟上升480毫米。后来，人们多用穿凿隧道或挖平路基的方法尽可能保护轨道的水平，便不再使用有齿铁路技术。
至今，常用的铁路仍然是杰索普的凸形铁轨（钢轨），或是它的各种更完备的改进形式而已。
不同用途的火车型式
现在让我们来看看根据列车的不同用途而形成的火车的几种型式。
从1832年起，就在奥地利林茨—布德魏斯铁路线上运行着一辆可以称为世界上最古老的铁路客运车辆。它是由弗兰茨安东冯格斯特纳设计的，共有四只轮子，车体形状好像一辆驿站快车（马车），车上有两个车夫座位，一个在前，一个在后，以便从两头驾驭。实际上这并不是客运火车，不过是一种行走在轨道上的马车而已。但是，现在的客运火车正是由此演变而来的。
与此相关的还有通常被称为“铁路公共汽车”的轻型铁路客运车辆——“米许林娜”号，它是由法国米许林公司于1931年对传统铁路车辆的重大改进后而推出的一种铁路客车。它的特点是：因使用气压轮胎，乘客可免受车轮通过轨缝时产生的振动之苦；另外，它还轻便灵活，和传统的重型客车相比，它更适合于在启停频繁的铁路支线上运行，并且费用低廉。
客运火车上的卧铺车最早是在1836年开始在美国使用的。当时，在佐治亚州亚特兰大—奥古斯特线上运行的卧铺车有三张卧铺，白天行车时，可用做沙发。到1864年，乔治M普尔曼设计出了一种新型卧铺车。当时，这种以它的设计者的名字命名的卧铺车因乘坐舒适而闻名遐迩。1871年，比利时工程师乔治内格尔麦克尔就组建了第一家国际卧铺车公司。
在现在的客运火车上，除了都有卧铺车厢外，同时还有餐车车厢。餐车最早出现于1840年的美国铁路线上，是专门为具有中间通道的旅客列车设计的。那时的客车，除了卧铺车厢和餐车厢，还有妇女专用车厢和黑人及吸烟者车厢。在1860年，与敖德萨—基辅线相连的沙俄皇家铁路线上添置了内部陈设豪华舒适的专用餐车。车内有可供16名客人用餐的餐桌，厨房里装有煤炉和贮存食物的冰柜。第一家国际卧铺车公司也于1871年之后为他们的列车加挂了餐车。1883年，在巴黎和维也纳之间正式开通了一列“东方特别快车”，里面有精美的餐车和卧铺车，硬座也很舒适，堪称世界上第一列豪华列车。
客运火车当然是很重要的，但对国民经济发展有重大影响的还有铁路货运。铁路的这一经济应用最早兴起于1801年的英国，当时的铁路马车，有固定的运价表。运费还会因货物不同而变化。在1826～1830年间，被称为“铁路之父”的乔治斯蒂芬孙就是为了进行铁路货运才修建利物浦—曼彻斯特的铁路线的，那时几乎所有的富商都投入了一定的股份。在1825年，出现了一种货运平车，为防止车上的货物潮湿，人们在车上覆盖防水篷布。到1830年，运载家畜的运输车（简称“家畜车”）开始运营，大的家畜车为单层平车，两侧用栅栏状挡板。直到1844年，英国才开始使用铁皮篷车。而和现代货车相类似的铁路货运列车是在1848年才出现的。当然，现在的货车适应运送不同的货物（如煤、石油、木材及其他轻工产品或重化工产品等）而建成不同的形状，正因为有了各种各样的货运列车，我们的经济资源、生活用品才能在东西南北各地互通有无、自由流转。
随着各种车型的不断出现，火车自身的功能适用性的日益广泛，铁路运输事业得到了迅速的发展，铁路建设亦是迅猛进行。到19世纪末，世界铁路已达65万千米长，到20世纪20年代，更多达127万千米。至此，世界各发达国的铁路网已基本建成，并已成为资本主义工业发展的大动脉。这时，无论古老的还是新开的运河，无论弯曲的乡间小道还是马车道，都不得不为这工业化洪流的前锋浪潮让道或被它跨越。从此，火车和铁路就开始把全球范围的人和物卷入商品生产和工业化的世界浪潮之中了。
坎坷的中国火车史
中国铁路运输事业的命运可以说是与中国近现代历史的风云演变密切相关的。
当1865年英国人杜兰德在北京修建一段1千米长的铁路试跑小火车时，清政府以“观者惊骇”为由，下令限期拆除。1876年，清政府官员以20万两银子买下英国人在上海和吴淞口之间修建的20千米长的窄轨铁路，拆除后，在一端车站建了一座天妃宫。但是，中国近代工业的发展还是冲破了封建朝廷的阻挠，顽强地推动着中国的铁路运输事业的发展。1878年之后，开滦煤矿的大规模开采迫使清政府同意修筑一条从唐山到胥各庄的10千米铁路。同时，由唐山制造厂利用进口材料制造了第一辆实用的牵引力为100吨的“龙”号机车。这条铁路持续运行下来，并在1911年清朝灭亡前连通了沈阳和北京。在1895年～1911年间，中国的铁路建设发展很快，平均每年兴修铁路500多千米。1905年，还开通了郑州黄河铁路大桥、著名的京沈（北京—沈阳）路、京汉（北京—汉口）路、津浦（天津—南京）路、沪宁（上海—南京）路、哈大（哈尔滨—大连）路等干线已经开通。但是，中国人当时只有7%的铁路控制权，其余全部由外国人占有。但无论如何，这促使中国的铁路机车和车辆制造业发展起来。著名的唐山制造厂、南口车辆厂，及长辛店、郑州、汉口、天津、上海、大连、哈尔滨等地的机车厂都为旧中国的火车制造立下了汗马功劳。当时，中国著名的铁路工程师詹天佑凭着中国人的聪明才智独立完成了京沈线上滦河大铁桥的修建和京张（北京—张家口）线上青龙桥东沟处“人”形爬坡路线的艰巨修筑工程，沉重地打击了外国人的傲慢和嚣张气焰。之后，中华民族的反帝反封建的革命运动就与铁路结下了不解之缘。
令人难忘的是，自1881年中国第一台蒸汽机车“龙”号从唐山制造厂开出后，中国就逐渐成为世界上最大的蒸汽机车生产国家。1959年，湘潭电机厂为宝成（宝鸡—成都）铁路制出第一台电力机车“韶山”号，及1958年大连机车厂4000马力“巨龙”号内燃机车的诞生，也使中国铁路的电气化和内燃机车化悄悄开始了。1988年9月30日，当中国制造的最后一辆铁路蒸汽机车隆隆地驶出了当时世界上惟一大批量生产蒸汽机车的大同机车厂时，世界也最终结束了蒸汽机车时代。现在的火车已多是内燃机车和电力机车。同时，新中国以空前的速度和规模修筑了铁路。1949年，中国的铁路只有2.2万千米。到1990年初，已增至5万千米。1996年9月，建成通车的京九铁路成为京广路之外的又一条南北大动脉，极大地促进了我国经济的发展。而自1975年宝成铁路最先实现电气化，及80年代中国第一条重载单元双线电气化铁路——大秦（大同—秦皇岛）铁路开通之后，中国的电气化铁路就开始了自己的历史，蒸汽机车时代的结束更是将铁路的电气化和电动机车的完善推到了新中国火车历史的最前沿。面对世界火车高速化潮流的挑战，我国也在“八五”期间开始研制时速为160千米的准高速列车，并于1995年在广州和深圳线正式运营。目前，正在研制中的是用于将来京沪高速铁路上的时速为250千米的高速列车。
