C'est au Royaume-Uni, au début du xixe siècle, que commença l'histoire du chemin de fer.
La première locomotive à vapeur fut construite par Richard Trevithick (1771-1833) en 1804.
La traction à vapeur a été inaugurée le 12 août 1812 sur le Middleton Railways dans le Yorkshire. Il s'agissait de locomotives pour rails à crémaillère remorquant des wagonnets de charbon. Les locomotives avaient été construites par Matthew Murray (1765-1826) et John Blenkinsop.
Le 27 septembre 1825 était inauguré le chemin de fer de Stockton à Darlington, première ligne ouverte au transport de passagers. La locomotive était la Locomotion de George Stephenson.
En 1827, Marc Seguin mit au point la chaudière tubulaire, qui permit de quasiment décupler la puissance des machines. En 1829, la première locomotive française fut utilisée sur la ligne de Saint-Étienne à Lyon deuxième ligne française.Celle de Saint-Étienne à Andrézieux est la première ligne de chemin de fer français construite en 1827.
Bien que la traction électrique ait été à l'étude dès les années 1880, et utilisée dès les années 1900, c'est en fait la traction diesel qui causa la perte de la traction vapeur là où l'électrification ne semblait pas rentable ou pas souhaitable stratégiquement. Le programme d'électrification intense de l'après-guerre et la livraison de nouvelles locomotives diesel dans lesannées 1950 ont marqué le déclin de la vapeur tout à la fin des années 1970. La turbine à gaz a aussi été utilisée, mais avec moins de succès.
Certains pays particulièrement bien dotés en ressources naturelles de charbon ou de tourbe ont continué à utiliser la traction à vapeur de manière principale jusqu'à la fin du xxe siècle, dont notamment la République démocratique allemande, l'Afrique du Sud et la Chine ou l'Inde.
Les locomotives à vapeur conservent également un certain succès pour les lignes de haute montagne parce que la traction à vapeur est relativement peu affectée par la baisse de lapression atmosphérique avec l'altitude. L'abaissement du point d'ébullition de l'eau permet même des économies de combustible dans ces situations particulières.
C'est un ingénieur anglais, Richard Trevithick, qui construisit la première locomotive à vapeur en 1804. Sa locomotive, qui n'eut pas de nom de baptême, fut utilisée dans l'usine sidérurgique de Pennydarren au Pays de Galles. Ce fut un échec sur le plan économique, car sa machine était trop lourde pour la voie et resta en panne. Malgré son génie inventif, Richard Trevithick finit sa vie dans la pauvreté et son œuvre resta largement méconnue.
En 1812, un ingénieur et inventeur américain, Oliver Evans, publia sa vision du développement du chemin de fer à vapeur, avec un réseau de lignes à longue distance, desservi par des locomotives rapides, reliant les villes entre elles et réduisant sensiblement les temps de parcours tant pour les voyageurs que pour les marchandises. Evans précisa que des voies parallèles devaient être prévues pour permettre la circulation des trains dans les deux sens.
En 1813, George Stephenson persuada le directeur de la houillère dans laquelle il travaillait de le laisser construire une machine à vapeur. Il construisit la Blucher, la première locomotive à roues adhérentes. Les boudins des roues permettaient de faire rouler les trains sur le sommet des rails, et non plus dans des rails creux. Cela simplifia grandement la conception desaiguillages, et ouvrit la voie au chemin de fer moderne.
La compagnie du chemin de fer Stockton and Darlington ouvrit sa première ligne le 27 septembre 1825. Stephenson conduisait lui-même sa machine, la Locomotion ; le spectacle attira une grande foule de spectateurs.
La locomotive à vapeur fut inventée au tout début de la révolution industrielle, et le chemin de fer devint un rouage essentiel de l'industrialisation, qui nécessitait le déplacement rapide des marchandises et de la main-d'œuvre. Au début, il était en concurrence avec le transport fluvial, mais rapidement le chemin de fer s'imposa grâce à la machine à vapeur, à l'amélioration de la voie et à la possibilité de construire des lignes de chemin de fer là où les canaux étaient impraticables.
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