Les premières locomotives (au XIX^e siècle) étaient propulsées par une machine à vapeur, ce qui leur a valu le nom de locomotives à vapeur. Ce type de traction des trains est resté largement prépondérant jusqu'aux années 1950, après la Seconde Guerre mondiale.

La plupart des trains sont désormais tractés par des locomotives électriques ou diesel ou sont assurés par des automotrices ou des autorails, c'est-à-dire constitués par des rames indivisibles, intégrant la motorisation répartie sous les voitures et/ou dans celles-ci.

Histoire

C'est au Royaume-Uni, au début du XIX^e siècle, que commença l'histoire des chemins 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 et 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^[1].

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 les années 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 XX^e siècle, dont notamment la République démocratique allemande, l'Afrique du Sud, la Chine et l'Inde.

Les locomotives à vapeur conservent également un certain succès pour les lignes de haute montagne parce que la traction à vapeur est favorisée par la baisse de la pression atmosphérique due à l'altitude abaissant le point d'ébullition de l'eau. Cela permet même des économies de combustible et de meilleures performances.

Le moteur à vapeur (distribution et entraînement)

L'arrivée et l'échappement de la vapeur des deux côtés du cylindre est réglée par le tiroir de distribution (6). Le piston est relié à la crosse, qui par l'intermédiaire de la bielle motrice transforme le mouvement de va-et-vient en mouvement circulaire. Ce mouvement est transmis à toutes les roues motrices grâce aux bielles d'accouplement. Le réglage du tiroir de distribution pour inverser la marche s'effectue au moyen du volant de commande de la vis de changement de marche (8) qui se trouve dans la cabine de conduite.

Travail de la distribution (exemple de distribution Walschaerts) : c'est par le tiroir (6) que la vapeur est admise dans le cylindre (7) et agit alternativement sur chacune des faces du piston. La tige de piston actionne la bielle couplée au train de roues motrices par l'intermédiaire de la crosse articulée (5). Les roues couplées deviennent toutes motrices.

Par l'intermédiaire de la contre-manivelle (2) calée à 90° de la manivelle motrice, une bielle fait osciller la coulisse (1) de distribution dans laquelle glisse la bielle de commande de tiroir (3). Le déplacement de cette bielle (3), couplée au levier d'avance (4) sur la coulisse, permet de régler le décalage entre les déplacements du tiroir et ceux du piston. On peut ainsi régler le taux d'admission du moteur et également changer de sens.

De chaque côté de la locomotive les manivelles motrices et la distribution ne sont pas en position identique mais sont calées à environ 90° pour éviter que les deux moteurs ne soient en même temps en position fin de course, rendant le démarrage impossible.