火车的铁轨和带凸缘轮是怎么被发明出来的

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在铁路发展的初期，铁路轨道经过了多次变化。

在规模铁路形成之前，铁路和铁的关系并不大，轨道以木轨为主，而且标准并不高，养护维修都很麻烦。而且铁轨直接铺在平地上，一到下雨或者下雪的季节铁路立刻就变得泥泞不堪，而列车的安全也就随着无法保证。

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为了不让巨资修建的铁路重新成为马车道，道砟应运而生。道砟就是垫在枕木底下的碎石块，这可不是普通的碎石块。它们使用优质花岗岩经过破碎而形成。往往有几米高。作用是吸收列车行驶过程中的冲击，防止轨道产生相对移位。同时可以通过维护人员不断填充新的道砟抵消地面下沉的影响，在我国的某条铁路线上道砟最厚的地方有十几米厚，相当于四层楼的高度。

铺在道砟上的木质的铁轨，由于没有泥土的保护，特别容易被损坏。于是人们为铁路换上了铁轨，而且所用铁的品质越来越好，重量也越来越大，铁路也终于成为了今天的铁路。在当时的世界上，铁绝对是一种稀缺的资源，但事实证明，把这么多的铁用在铁路上是值得的。伴随着铁轨重量增加，是铁路货运量的急剧上升，和铁路运输平稳性的提高。

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仅仅是运的快运的多还不行，铁路要想改变人类文明的历史，还必须拥有更快的速度。在当时的情况下，虽然解决了锅炉爆炸的问题。但把铁路运输速度提高，必然带来出轨和轨道移位的风险。

如果以年为单位，出轨是经常发生的一种铁路事故。即使在现在，出轨事故仍然不能完全杜绝。但像1981年印度比哈尔脱轨事故这样伤亡800人的事故已很少发生（针对中国等铁路强国而言，针对印度而言还是常态，印度每年死于火车事故人数超过15000人）。大部分脱轨发生在货运列车上，即使发生，也只是造成列车停运的后果。而早期的火车，一旦发生脱轨，则往往车毁人亡，这是由于二者车轮的构造不同造成的。

牛顿力学告诉我们物体在旋转时，会产生一个向心力。而火车这样的庞然大物，必然会产生更大的向心力。为了平衡这样一种向心力，外侧的轨道必须稍微垫高一些。显然，我们不能保证每一时刻列车的向心力都能被垫高的轨道抵消。最理想的情况，应当是列车会根据轨道的状况，自动的改变车体的倾角，以维持平衡。尽管听上去很复杂，但工程师们想出了简单的解决方法。

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1789年，英国工程师威廉.杰瑟普发明了带凸缘轮，在轨道维护正常的情况下，车轮内侧的凸缘和轨道接触的位置会发生改变，这种措施有效防止了车辆脱轨。此外，工程师们还通过转向架来帮助火车转弯，同时借助转弯时列车车身的倾斜和内侧车轮以及外侧车轮不同的转弯半径实现火车转弯。

正是在实践中的各种发明创新，火车终于同时具备了载重量大、运价低廉、安全可靠和运输平稳的特点，获得了第二水运的美称。靠着这一工具，文明终于开始向各个大陆深处蔓延扩张。