最早的火车本身没有任何动力系统，它就是一节节车厢，放在木头做的轨道上，车厢前方有一个钩子，直接通过绳索与路边的蒸汽机房相连。在轨道旁，每隔一公里就需设置一个机房，机房的蒸汽机拉着车厢在轨道上跑。

这种设计太麻烦了，每个机房还要设立一名烧锅炉的工人，车厢经过机房时，还要重新挂上钩子，任何机房的故障都会导致火车停运。当然，那时除了外置的蒸汽机房以外，英国人还流行用马匹拉列车车厢。

这时，英国的工程师萌生了一个创新的想法，如果将蒸汽机直接安装在火车上，那不就能摆脱机房的限制，这样火车就能持续运行了。

1804年，英国工程师理查德·特里维希克成功实现了这一构想，他创造出了世界上第一台蒸汽机车。这台机车通过煤炭燃烧加热金属管产生蒸汽，进而驱动活塞和车轮前进。

经过几十年的改进，到了1842年，英国的“旅行者号”蒸汽机车已经将车速提升至46公里每小时。你可能觉得速度太慢了，还没有你的电动小毛驴快，但是在当时，这个速度是英国所有交通工具中最快的。

然而，速度的提升也带来了安全隐患，高速行驶的火车容易出现车身摇摆，轻微的摇摆幅度都可能导致脱轨。于是，天才们将车轮设计成锥形，使用火车自身的重力来抵抗行驶过程中的摇晃，火车跑的更稳了。

此后100多年，蒸汽火车的形状并没有改变多少，中国在30年前还可以看到这种老式的蒸汽机火车。这种火车在出站前要加水加煤，工人负责把煤铲进火车头的锅炉里。火车一开动，就会喷出大量水蒸气和黑色烟雾，汽笛声几公里外都能听见。

其实，我国在用这种老式火车头的时候，国外已经着手改进了。上个世纪30年代，随着空气动力学研究的深入，他们发现方形火车头在行驶中面临巨大的空气阻力。

德国最早尝试将火车头设计成流线型，这样能减少空气阻力。同时，他们的工程师在车轮上增加了导流板，车厢连接段也安装了橡胶，以进一步降低空气湍流的影响，提升速度。

气动外形的改进大多发生在上个世纪30年代，那个年代出现了各种奇奇怪怪的火车头，气动外形更加流畅，让火车的速度达到了150公里每小时，这个速度即便是现在看来也是够快的了，不过这已经是蒸汽机的极限了。之后它就被内燃机火车头取代，在内燃机火车开始普及时，火车家族又分化出一种新的列车，它不烧煤，也不用油，而是用电机充当动力。

该如何给列车供电呢？

很好解决，在铁路沿线架设电线杆给火车供电，为了把电线上的电力传到火车电机上，专家们在火车顶部安装了受电弓，在行驶过程中，受电弓与火车电线接触，进而获得电能。不过受电弓很容易磨损，于是设计人员用电线错开分布的方法，让受电弓上的每一处均匀摩擦，这样能增加它的寿命。同时还设计了空气臂，以防止受电弓在意外情况下损坏时把电线拉断，空气臂能与电线及时脱离。

进入21世纪以后，世界上很多国家都进行了电气化改革，在铁路旁都增加了电力供应系统。

电力机车不仅速度更快、更稳定，而且更加环保节能。而且动力系统体积小，启动时电机的扭矩就能完全发挥出来，加速更加快。至此高铁就问世了，日本和德国这两个国家又走在了世界前列，上个世纪70年代他们就进行了电气化改革，这两个国家也是最先造出高铁的。

光有电还不行，老轨道也要改，好的高铁用的都是无砟轨道。

无砟轨道是采用混凝土、沥青混合料搭建整体路基，取代煤、，碎石与枕木的轨道。它的好处是稳定性高、维护量少、使用寿命特别长，高铁动车在上面跑的平稳性非常高，我国高铁基本都是采用无砟轨道。

中国高铁还有一个显著特点，就是大量使用高架桥，这些高架桥不仅让铁路线路变得更加笔直，减少了因地形起伏和转弯对列车速度的影响，还让铁路免受陆地上动物和人的活动干扰。

如果是在印度，动车300公里的时速，如果突然窜入一头神牛，必然会造成重大事故，高架桥的建设也充分利用了土地资源，节约了地面空间。很多农民在高架桥下方种田种菜，这也是中国一大特色。