vignette|Locomotive à vapeur Pacific 231 G 558. vignette|Locomotive Diesel Série 59 (Belgique). vignette|Locomotive électrique CC 6500.
Une locomotive est un véhicule ferroviaire qui fournit l'énergie motrice d'un train. L'adjectif substantivé est originaire du latin loco - « venant d'un lieu », ablatif de « locus », lieu - et du latin médiéval motivus, « qui provoque le mouvement ». Les machines à vapeur loco-motrices ont remplacé les machines à vapeur stationnaires chargées de faire remonter les trains de wagons de marchandises ou de voitures de voyageurs sur les plans inclinés des premières voies ferrées. Celles-ci complétaient la traction hippomobile sur les parties des voies sans déclivité, d'abord dans puis hors des mines, tandis que certains trains avançaient par gravité par exemple pour descendre le charbon des sorties des mines vers les canaux.
Une locomotive n'a pas de charge utile en elle-même, sa principale fonction étant de tracter un train et éventuellement d'en assurer le chauffage ou l'alimentation électrique. À l'inverse, d'autres trains sont autopropulsés, on les appelle alors automoteurs ou voitures automotrices. Ces engins ne sont toutefois pas considérés comme des locomotives ; on parle d'autorail ou d'automotrices. L'usage de ces véhicules automoteurs est de plus en plus commun pour les trains de passagers, mais très rares pour le fret (voir CargoSprinter). Les véhicules qui permettent de tracter un train tout en ayant un espace à utilisation commerciale (fourgon, places passagers, etc) sont des cas à part, nommés au cas par cas. On parle en général d'automotrice (en Anglais : power car).
Traditionnellement, les locomotives tractent les trains : elles sont donc situées à l'avant des convois. Toutefois, de plus en plus de trains de voyageurs sont réversibles : la locomotive tracte le train à l'aller et le pousse au retour. Dans ce cas, le conducteur contrôle la locomotive depuis une voiture pilote, à l'avant du train.
L'origine de la première locomotive La première locomotive à avoir fonctionné a été construite par un Anglais, Richard Trevithick. En 1804, sa locomotive à vapeur tracta un train sur les rails de l'aciérie de Pen-y-Darren près de Merthyr Tydfil au Pays de Galles. En fait, la locomotive qui tira un train de de fer et 70 passagers installés dans cinq wagons sur les quinze kilomètres du trajet était trop lourde pour les voies de l'époque constituées de plaques en fonte épaulées. La locomotive ne fit que trois voyages avant d'être abandonnée. Trevithick construisit une série d'autres locomotives après l'expérience de Pen-y-Darren, dont une qui circula dans une mine de charbon et qui fut remarquée par le jeune George Stephenson.
La première locomotive à vapeur à effectuer un service commercial fut la Salamanca, de Matthew Murray, prévue pour les lignes à crémaillère du Middleton Railway, en 1812. Elle a été suivie en 1813 par Puffing Billy construite par Christopher Blackett et William Hedley pour le chemin de fer de la mine Wylam, qui utilise la seule adhérence. Cette machine, la plus ancienne à subsister, est aujourd'hui présentée au Science Museum de Londres.
En 1814, George Stephenson, inspiré par les locomotives antérieures de Trevithick et Hedley persuada le directeur des mines de charbon de Killingworth où il travaillait de l'autoriser à construire une machine à vapeur. Il construisit la locomotive Blücher, dont les roues étaient dotées de boudins. Stephenson joua un rôle majeur dans le développement et la diffusion des locomotives à vapeur. Les éléments qu'il conçut améliorèrent le travail des pionniers. En 1825 il construit la Locomotion n°1 pour le chemin de fer de Stockton et Darlington qui devint le premier chemin de fer ouvert au public. En 1829, il construit the Rocket, qui remporta le concours de Rainhill. Ce succès mena Stephenson à fonder l'une des premières entreprises constructrices de locomotives, qui recevra des commandes de toute l'Europe et des États-Unis.
Locomotives et automotrices Avantages des locomotives thumb|BB 27300 tirant une rame de VB2N. Il y a de nombreuses raisons qui expliquent que la fonction de traction des trains ait été, traditionnellement, isolée dans la locomotive, plutôt que répartie dans un véhicule autopropulsé. Ces raisons comprennent :
l'aspect pratique : si la locomotive tombe en panne, on peut facilement la remplacer par une autre. Une panne de la partie traction ne met donc pas l'ensemble du train hors service ; lutilisation maximale de la capacité de traction : la partie traction est plus coûteuse que le reste, et donc multiplie le coût global lorsqu'elle est immobilisée. Séparer les locomotives permet d'utiliser la capacité de traction de manière optimale ; la flexibilité : des locomotives plus puissantes peuvent être substituées à de plus petites lorsque le besoin s'en fait sentir, par exemple lors d'un passage de plaine en montagne, nécessitant plus de puissance ; Les premières locomotives à vapeur se relayaient sur les grands parcours pour être réapprovisionnées en charbon à la manière des chevaux de poste. le cycle d'obsolescence : séparer la partie traction de la charge remorquée permet de remplacer l'un sans affecter l'autre. Par exemple, la technique de traction d'un engin peut être dépassée alors que son confort reste satisfaisant, ou le contraire.
Avantages de l'automotrice thumb|Rame automotrice Z 5600 à 6 éléments. L'utilisation des automotrices a aussi ses avantages, qui doivent être comparés à ceux des locomotives : efficacité énergétique : les automotrices ont un meilleur rendement que des rames tractées et elles sont moins sujettes au patinage, particulièrement en côte, la masse du train (dans la plupart des cas) étant placée aux environs des roues, alors qu'une locomotive ne peut compter que sur sa masse propre ; pas besoin de retourner la locomotive : la plupart des automoteurs ont une cabine de conduite à chaque extrémité, ce qui permet de changer le sens de marche en changeant simplement de cabine. Il n'y a pas besoin non plus de dételer / atteler la locomotive, ce qui permet un changement de sens plus rapide tout en augmentant la sécurité ; fiabilité : la plupart des automoteurs ont plusieurs moteurs, répartis dans le train. En cas de panne de l'un des moteurs, il est parfois possible de continuer avec une puissance de traction réduite mais suffisante pour arriver à destination. Cependant, de nombreuses locomotives destinées au fret ont plusieurs moteurs, ce qui fait qu'elles peuvent également continuer à circuler ; sécurité : les automoteurs ont souvent des systèmes de freinage complètement indépendants sur chaque voiture, ce qui veut dire qu'une panne de frein sur un élément n'empêchera pas le train de s'arrêter.
Classification par mode de traction Les locomotives peuvent tirer leur puissance de combustibles (bois, charbon, pétrole, gaz naturel), ou elles peuvent la tirer d'une source électrique. Il est fréquent de classer les locomotives par source d'énergie. Les plus fréquemment rencontrées sont citées ci-dessous.
Vapeur
thumb|Une machine à vapeur à la Gare du Nord de Paris, en 1930. thumb|Locomotive 030-219 de la Renfe à Miranda de Ebro. Au , les premières locomotives était mues par de la vapeur, souvent produite en brûlant du charbon. Puisque les locomotives à vapeur utilisent un (ou plusieurs) moteurs à vapeur, on y fait parfois référence sous le nom de machine à vapeur. Les locomotives à vapeur resteront jusqu'après la Seconde Guerre mondiale le type le plus courant de locomotive.
La première locomotive à vapeur a été construite par Richard Trevithick ; elle circula pour la première fois le . Cependant il fallut attendre plusieurs années pour que ces engins deviennent réellement utilisables. Le premier usage commercial d'une locomotive a été celui de la Salamandre sur les chemins de fer à voie étroite du Middleton Railway, près de Leeds en 1812. La locomotive Fairy Queen, construite en 1855 et qui circula entre New Delhi et Alwar en Inde est la plus vieille locomotive en service (touristique) régulier ainsi que la plus vieille encore autorisée à circuler sur ligne principale.
Le record de vitesse d'un train à vapeur est détenu par la locomotive du LNER Pacific Mallard, qui, tractant six voitures et une voiture-dynamomètre, atteignit la vitesse de 203 km/h sur une voie en légère pente descendante le 1938. Des locomotives carénées allemandes s'approchèrent de ce record, et on le donne généralement comme très proche des limites réelles des machines à vapeur.
Avant le milieu du , les locomotives électriques et Diesel-électriques commencèrent à remplacer celles à vapeur. Ces dernières avaient un rendement moindre et exigeaient plus d'entretien et de personnel pour les exploiter. Des chiffres de British Rail montrent que le coût de conduite et d'alimentation d'une locomotive à vapeur est de deux fois et demi supérieur à celui d'une locomotive Diesel, alors que le kilométrage journalier moyen est bien inférieur. Le coût du travail augmentant, surtout après la Seconde Guerre mondiale, les systèmes sans vapeur devinrent plus rentables. En France, le vote de la loi des huit heures de travail par jour contribua aussi à cet abandon de la vapeur, ne permettant plus aux entreprises possédant seulement quelques engins le temps de chauffer et d'utiliser assez longtemps les machines pour que cela compense les frais de fonctionnement. À la fin des années 1960-1970, la plupart des pays occidentaux avaient complètement supprimé la vapeur des services passagers. Pour le fret, la transition s'est effectuée un peu plus tard. Quelques autres solutions ont été essayées afin de prolonger la vie des machines à vapeur, par exemple en utilisant des turbines à gaz, mais finalement elles ont été très peu utilisées.
À la fin du , la plupart des locomotives à vapeur que l'on peut voir en service en Amérique et en Europe le sont sur des chemins de fer touristiques, où elles sont appréciées par les touristes et amateurs de chemin de fer. Il existe aussi en Allemagne un ensemble de lignes à voie étroite toujours exploité par des machines à vapeur de façon régulière. Les machines à vapeur ont été utilisées commercialement au Mexique jusqu'à la fin des années 1970 et le sont toujours en 2007 en Chine, où le charbon est plus abondant et moins coûteux que le pétrole utilisé par les moteurs Diesel. L'Inde convertit la traction à vapeur à l'électrique depuis les années 1980, à l'exception de certaines lignes considérées comme touristiques. Dans certaines régions montagneuses, la vapeur reste également utilisée parce que, à l'inverse du moteur Diesel dont la puissance diminue quand l'altitude augmente car le débit masse d'air aspiré diminue, la puissance de la locomotive à vapeur augmente lorsque l'altitude augmente du fait de la moindre pression atmosphérique à l'échappement.
Ainsi, en 2006, DLM AG (Suisse) continue de fabriquer des locomotives à vapeur neuves, utilisant des techniques de pointe pour les rendre encore plus efficacesSite web de DLM AG..
Dans certaines industries sensibles, il a existé des locomotives à vapeur sans foyer ou à air comprimé, afin d'éviter les étincelles pouvant provoquer des explosions. Ces machines (locomotives système Franck, par exemple) devaient être rechargées en vapeur à poste fixe et disposaient d'une autonomie pouvant atteindre en manœuvres légères.
Diesel
thumb|left|Locomotive Diesel des chemins de fer marocains (ONCF) à Fès. À partir de 1940 environ, les locomotives à moteur Diesel firent leur apparition. Les locomotives à vapeur qui fonctionnaient au fioul et non au charbon étaient surnommées, en France, "les goudronneuses", elles commencèrent à remplacer la vapeur sur les réseaux nord-américains. Au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, le diesel fit son apparition sur les rails de nombreux pays. Vers 1960, peu de grands réseaux continuaient à miser sur la vapeur.