История паровоза совмещает в себе две истории: историю рельсового пути и историю локомотива. Причем первый возник гораздо раньше второго. О применении деревянных рельсов в горном деле пишет еще Себастьян Мюнстер в своей книге, вышедшей в 1541 году. В XVIII веке рельсы стали изготавливать из чугуна, а в начале XIX века — из мягкого железа (чугун вследствие своей хрупкости, быстро разрушался). Долгое время железнодорожные пути сооружались только на рудниках, но потом получили распространение пассажирские дороги с конной тягой. Первая такая рельсовая дорога была устроена в 1801 году в Англии между Уондсвортом и Кройдоном.

Что касается локомотива, то он мог явиться на свет лишь после великого изобретения Уатта. Как только паровая машина получила некоторое распространение, нашлось много изобретателей, старавшихся приспособить ее для нужд транспорта — например, использовать паровую машину в качестве двигателя для самодвижущейся повозки. Первую попытку в этом роде сделал помощник Уатта Мердок. Он прежде других понял, что двигатель паромобиля должен отличаться по конструкции от стационарной паровой машины. Для того чтобы повозка кроме себя самой могла перевозить полезный груз, двигатель должен быть компактным, легким и мощным. Прежде всего, Мердок предложил повысить давление в цилиндре до 3-3, 5 атмосфер (тогда это давление считалось очень высоким). Он также посчитал необходимым отказаться от конденсатора и выпускать отработанный пар «на выхлоп» в атмосферу. В 1786 году Мердок соорудил действующую модель паровой тележки. Однако Уатт отнесся к опытам своего помощника очень холодно, и Мердоку пришлось оставить свои эксперименты. К счастью, при опытах Мердока в Редрете присутствовал смышленый и любознательный подросток — Ричард Тривайтик. Увиденное произвело на него огромное впечатление, и, повзрослев, он посвятил свою жизнь созданию паровых самодвижущихся транспортных машин.

Начал Тривайтик с того, на чем остановился Мердок. Сначала он сконструировал паровой двигатель повышенного давления, работавший «на выхлоп» без конденсатора. Затем в 1801-1803 годах он построил несколько паровых повозок, которые весьма успешно бегали по скверной дороге из Кемборна в Плимут. По существу, это были первые в истории автомобили. Но до изобретения пневматических шин ездить на таких машинах могли только энтузиасты. Хороших дорог было мало, и никакие рессоры не спасали машину и ее водителя от жестокой тряски. К тому же все эти сооружения были очень громоздкими и тяжеловесными для того, чтобы передвигаться по грунтовым дорогам. Тогда у Тривайтика возникла идея поставить паровой автомобиль на рельсы. В 1804 году он создал свой первый паровоз.

Этот паровоз представлял собой цилиндрический паровой котел, покоившийся на двух осях. Топка располагалась впереди под дымовой трубой, так что тендер (повозку с углем, где сидел кочегар) приходилось прицеплять впереди паровоза. Длинный горизонтальный цилиндр 210 мм в диаметре имел ход поршня в 1, 4 м. Шток поршня далеко выдавался впереди паровоза и поддерживался особым кронштейном. С одной стороны паровоза имелась сложная зубчато-колесная передача на обе оси, с другой — большое маховое колесо, как у фабричной паровой машины. По многим показателям этот первый в истории паровоз имел удивительные характеристики. Так, при собственном весе в 5 т он транспортировал со скоростью 8 км/ч пять вагонов общим весом 25 т. Порожняком он двигался со скоростью 26 км/ч. Тривайтик не был уверен, что трения между колесами и рельсами будет достаточно для поступательного движения паровоза. Поэтому наружная часть колеса, выдававшаяся за рельсы, была утыкана головками гвоздей, которые вдавливались в брусья, уложенные параллельно рельсам. Впрочем, очень скоро Тривайтик убедился, что нужды в этих дополнительных приспособлениях нет — паровоз мог прекрасно передвигаться по гладким рельсам и тащить за собой несколько вагонов.

Несмотря на свои хорошие ходовые качества, первый паровоз не вызвал к себе интереса. Дело в том, что Тривайтику приходилось демонстрировать свое детище на Мертир-Тидвилской конной железной дороге. Тяжелый паровоз постоянно ломал чугунные рельсы. Было очевидно, что для него придется строить специальные пути. Однако хозяева рудников, которых Тривайтик хотел заинтересовать паровозом, не хотели вкладывать деньги в строительство новой дороги и отказались финансировать изобретателя. В последующие годы Тривайтик сконструировал и построил еще несколько паровозов. Паровоз 1808 года был дальнейшим шагом вперед. Тривайтик убрал громоздкую зубчатую передачу. Движение от вертикального цилиндра передавалось посредством простых шатунов с кривошипами на заднюю ось. Часть отработанного пара шла на подогрев воды в котле, часть — выпускалась через суженное отверстие в дымовую трубу для усиления тяги в топке. Этот усовершенствованный паровоз порожняком развивал скорость 30 км/ч. Однако и эта замечательная машина никого не заинтересовала. В 1811 году, окончательно разорившись, Тривайтик должен был прекратить свои опыты. Беда его заключалась в том, что он явился со своим изобретением слишком рано. Не только железо, но и чугун еще были слишком дороги. Поэтому строительство железных дорог казалось нерентабельным. Высокоточных металлорежущих станков также было очень мало. Все детали паровоза приходилось делать вручную, их себестоимость была высокой. Кроме того, шла война с Наполеоном, Англия была стеснена континентальной блокадой, и все проекты, требовавшие больших капиталовложений, не могли быть реализованы.

Но, разумеется, никакие трудности не могли остановить техническую мысль. Появились новые изобретатели, взявшиеся за создание паровоза. Долгое время среди механиков было распространено убеждение, что гладкое колесо не может катиться по гладкому железному рельсу. Стараясь избежать этой мнимой опасности, некоторые изобретатели пошли по ложному пути. В 1812 году Бленкистон, один из владельцев Мидлтонских угольных копей в Йоркшире, проложил небольшую железную дорогу длиной 6 км между Мидлтоном и Лидсом специально для паровоза. В том же году механик Муррей построил по проекту Бленкистона паровоз, обладавший достаточно хорошими техническими показателями. Он передвигался по обычным рельсам и имел колеса с гладкими ободьями. Но движение осуществлялось при помощи зубчатого колеса, катившегося по зубчатой рейке, положенной рядом с гладкими рельсами. Машина имела два паровых цилиндра. Кривошипы двигателей были смещены друг относительно друга на 90 градусов. Когда один из них оказывался в мертвой точке, другой в это время действовал с наибольшей силой. Это был первый паровой двигатель двойного действия, способный начинать работу из любого положения кривошипа. Паровоз Муррея мог транспортировать 20 т полезного груза со скоростью 6 км/ч. С более легкой нагрузкой он мог брать очень крутые подъемы. Несколько таких паровозов было построено для обслуживания рудников, но широкого распространения они не получили в силу того, что имели очень незначительную скорость, высокую цену и часто простаивали из-за поломки путей.

Другой изобретатель, Брунтон, в 1813 году соорудил паровоз с двумя механизмами, которые наподобие ног должны были отталкиваться от земли и двигать машину вперед (при первом же испытании этот паровоз взорвался, так как при расчете котла были допущены ошибки).

Вскоре было доказано, что гладкое колесо вполне может двигаться по гладкому рельсу. Два изобретателя — Блекетт и Хедлей — соорудили специальную тележку с гладкими ободьями, которая приводилась в движение при помощи зубчатой передачи людьми, находящимися на ней. На тележку нагружали железо, меняя таким образом ее вес. В ходе этих опытов было показано, что трение ведущих колес тележки (то есть тех колес, которые получали обороты от двигателя) в 50 раз превышало трение колес, свободно катившихся по рельсу. Следовательно, благодаря упору своих ведущих колес любой локомотив мог тащить груз, в 50 раз превышающий его сцепной груз (вес, приходящийся на колеса паровоза, спаренные с двигателем). В 1815 году Блекетт и Хедлей собрали очень хороший паровоз, получивший название «Пыхтящий Билли». Имея в своем распоряжении чертежи Тривайтика, они смогли воспользоваться многими его наработками. Очень долго конструкторы бились над проблемой, стоявшей перед всеми изобретателями паровоза того времени, — как уменьшить нагрузку на ось, чтобы локомотив не ломал рельсов. Поначалу это происходило слишком часто, так что перед каждой поездкой тендер приходилось нагружать запасом чугунных рельс. Наконец Блекетт и Хедлей поставили котел на одну раму с тендером, снабдив ее четырьмя парами колес, так что «Билли» имел четыре ведущих оси. Только после этого он перестал портить пути. Этот паровоз эксплуатировался на руднике до 1865 года, после чего был сдан в Лондонский музей.