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Le chemin de fer est un système de transport guidé servant au déplacement de personnes et de marchandises. Il se compose d'une infrastructure spécialisée, de matériel roulant et de procédures d'exploitation faisant le plus souvent intervenir l'humain, même si dans le cas des métros automatiques cette intervention se limite en temps normal à de la surveillance.

Par métonymie, « chemin de fer » désigne aussi les sociétés exploitantes, souvent appelées autrefois « compagnies ». Les employés du chemin de fer sont appelés « cheminots ».

En France, l'expression « chemin de fer » est apparue officiellement dans l'ordonnance royale du 26 février 1823 autorisant la construction de la première ligne française à Saint-Étienne[1]. L'adjectif correspondant, « ferroviaire », qui dérive de l'italien ferrovia, est apparu vers 1911.

Le système ferroviaire est aussi utilisé sous diverses déclinaisons spécialisées : métros[2], tramways, chemins de fer à crémaillère.

L'infrastructure des chemins de fer est appelée voie ferrée. Elle se compose, la plupart du temps, de deux files de rails posés sur des traverses, d'appareils de voie, de passages à niveau, de la signalisation et, le cas échéant, des installations de traction électrique (sous-stations, caténaires, etc.). La voie ferrée est généralement posée en remblai sur un ballast, et peut emprunter différents ouvrages, tunnels, viaducs, tranchées.

Le matériel roulant circule communément en convois, appelé trains ou rames. Les convois sont composés de wagons pour les marchandises ou de voitures pour les passagers, et sont tractés par des locomotives. Il peut également s'agir de rames autotractées, c'est-à-dire incluant leur propre système de traction.

L'humain est au centre des systèmes ferroviaires couramment rencontrés, que ce soit pour la conduite des trains, l'orientation des convois vers leur destination, la sécurisation des voyageurs ou marchandises transportées. Le travail de l'humain est encadré par des procédures.

Très tôt, on a légiféré sur le chemin de fer. En France, la loi du 15 juillet 1845[3] pose les bases de la Police du Chemin de Fer[4]. Depuis, de nouvelles lois et de nombreux règlements sont venus la compléter, en ce qui concerne la sécurité, l'organisation et le service public.

Le chemin de fer s'est vraiment développé lors du boom ferroviaire des années 1840 mais de très nombreuses innovations avaient eu lieu au cours des siècles précédents.

L'un des premiers exemples de chemin guidé est celui du diolkos, un système permettant aux bateaux de franchir l'isthme de Corinthe en Grèce, construit au VIe siècle av. J.-C. Des chariots tirés par des bêtes de somme circulaient sur des blocs de pierre entaillés. Ce chemin guidé a fonctionné jusqu'au Ier siècle.

Sur les sections difficiles des voies romaines (en montagne, aux abords des ponts), les roues des chariots étaient guidées par des pierres entaillées en profondes ornières.

La réapparition des transports guidés est attestée en Europe aux alentours de 1550[5], pour des voies minières. Celles-ci utilisaient des rails de bois. La première voie ferrée a été établie au Royaume-Uni au début du XVIIe siècle, principalement pour le transport du charbon d'une mine à un canal, d'où il pouvait être chargé sur des barges. On trouve des traces de ce genre de chemins de fer à Broseley dans le Shropshire. Les rails étaient constitués de bois nu, les roues étaient munies de boudins, comme sur les véhicules ferroviaires actuels. En 1768, la compagnie Coalbrookdale eut l'idée de remplacer ses rails en bois par des rails en fonte moulée, pour limiter l'usure de la voie et transporter de plus lourdes charges.

Les rails de fer sont apparus au début du XVIIIe siècle. L'ingénieur William Jessop conçut des rails prévus pour être utilisés avec des roues sans boudin : ils constituaient une sorte de cornière. Ces rails devaient être utilisés pour un projet dans le secteur de Loughborough, Leicestershire en 1789. En 1790 il était de ceux qui fondèrent une aciérie à Butterley, Derbyshire pour produire des rails (entre autres). Le premier chemin de fer ouvert au public a été le Surrey Iron Railway, ouvert en 1802 par Jessop[6]. Les convois étaient tractés par des chevaux.

La première locomotive à vapeur à fonctionner sur des rails a été construite par Richard Trevithick et essayée en 1804 à Merthyr Tydfil au Pays de Galles. Cette tentative ne fut pas couronnée de succès, l'engin étant si lourd qu'il brisait la voie.

En 1811, John Blenkinsop conçut la première locomotive réellement utilisable[7]. Il fit breveter (N° 3431) un système de transport du charbon mû par une locomotive à vapeur. La ligne fut construite, raccordant Middleton Colliery à Leeds. La locomotive a été construite par Matthew Murray de Fenton, Murray and Wood. Le Middleton Railway fut donc en 1812 le premier chemin de fer à utiliser la vapeur avec succès dans un objectif commercial. C'est également le premier à faire l'objet d'actes juridiques. La ligne du chemin de fer de Stockton et Darlington longue de 40 km, inaugurée le 27 septembre 1825 avec la Locomotion n° 1 de George Stephenson, fut la première au monde permettant le transport commercial de passagers avec des locomotives à vapeur.

La première ligne de chemin de fer à vapeur exploitée par le secteur public de l’Europe continentale fut mise en service le 5 mai 1835 entre Bruxelles-Allée verte et Malines ; c'est aussi la première ligne à horaires fixes de convois composés de wagons comprenant trois classes.

La Compagnie du chemin de fer de Saint-Étienne à la Loire construit la première ligne en Europe continentale dans la région de Saint-Étienne, en France, entre 1827 (Louis-Antoine Beaunier) et 1830 (Marc Seguin) ; les convois sont à traction chevaline et servent au transport des houilles.

La première ligne aboutissant à Paris a été la ligne de Paris à Saint-Germain ouverte en 1837[8]. La loi du 15 février 1838 décide la construction de neuf grandes lignes par l'État[9]. Mais une autre loi, celle du 11 juin 1842, tranche en faveur d'un financement privé[10]. L'expansion boursière des années 1840 en Angleterre donne à ce pays la moitié des 9500 kilomètres de rail européen en 1845, lors de l'épisode de la « railway mania ».

En Europe et en Amérique du Nord, la période de plus grand développement du chemin de fer va de 1848 à 1914. L’enthousiasme ferroviaire de l'Allemagne fait que le pays compte vers 1870 près de vingt mille kilomètres de voies[11]. La France réduit une partie son retard sur sa rivale d'outre-Manche pour atteindre 15 600 km[12] de voies ferrées en 1870, contre 24 900 pour l'Angleterre[13].

Après la Première Guerre mondiale, le chemin de fer continue à se développer, mais les lignes secondaires commencent à fermer, fortement concurrencées par le transport automobile.

La crise pétrolière de 1973 marque le début du renouveau du chemin de fer, principalement pour les transports de voyageurs à l'intérieur des grandes métropoles et grâce à de nouvelles lignes intercités, parcourues par des trains à grande vitesse.

La sustentation magnétique (dite Maglev), dont une ligne de 43 km a été mise en exploitation en 2005 à Shanghai (Chine), pourrait devenir un concurrent viable.

Les projets ferroviaires nécessitent une ingénierie dont les rôles principaux sont celui du concepteur chargé des études de conception au cours des différents stades, du maître d’œuvre de suivi de réalisation, de pilotage des opérations d’essais et mises en service et d'homologation. Tout ou partie de cette ingénierie peut être délégué par le maître d'ouvrage à des consultants extérieurs.

Roulement acier sur acier : la caractéristique fondamentale du chemin de fer est le roulement acier (roue) sur acier (rail) à faible coefficient d'adhérence, qui limite très sensiblement la résistance à l'avancement, mais augmente les distances de freinage. La faible adhérence impose aussi des contraintes de tracé des lignes pour éviter les trop fortes rampes : tracé en fond de vallées, ouvrages d'art importants (tunnels, viaducs, etc.).

Toutes ces caractéristiques induisent un système d'exploitation particulier, qui repose d'abord sur un système de signalisation strict et sur l'établissement d'un graphique de circulation. En contrepartie, elles limitent les dépenses d'énergie et procurent au chemin de fer un haut niveau de sécurité.

Les systèmes ferroviaires nécessitent une infrastructure particulière appelée voie ferrée. Les véhicules sont guidés par une ou plusieurs files de rails fixés sur des traverses au moyen, en France, de tirefonds. Le ballast est une couche drainante sur laquelle reposent les traverses. Il permet d'affiner la géométrie de la voie, par exemple pour créer un dévers en courbe ainsi qu'absorber les vibrations lors du passage des trains. Les véhicules étant guidés par les rails, ils ne peuvent pas changer de direction sans utiliser une installation particulière. La plupart du temps il s'agit d'un aiguillage, manœuvré soit à pied d'œuvre soit d'un poste d'aiguillages.

Le matériel ferroviaire, du fait de sa technique de roulement, ne peut pas monter ou descendre de pente trop importante, ni effectuer de courbe trop prononcée. Pour s'adapter au terrain, la construction des lignes de chemin de fer a nécessité l'établissement d'ouvrages d'art : ponts, viaducs et tunnels. La voie peut aussi croiser la route à un passage à niveau.

La distance entre les deux rails de roulement (cas le plus fréquent) est appelée écartement. Elle est mesurée entre les faces internes du rail. L'écartement le plus communément répandu est celui de la voie normale : 1,435 m (standard UIC). Au-delà, on parle de voie large, en dessous il s'agit de voie étroite.

Certains trains sont mus par de l'électricité et nécessitent des infrastructures spécifiques dès lors qu'ils ne fournissent pas eux-mêmes leur énergie. Dans la majorité des cas, cette alimentation en énergie se fait par une caténaire suspendue au-dessus des voies, le train venant capter le courant grâce à un pantographe ou une perche. Les métros et certains pays (Angleterre) utilisent un troisième rail latéral: le captage est alors assuré par des patins. D'autres systèmes utilisent un troisième rail central, par exemple le nouveau tramway de Bordeaux.

Dès lors que deux trains peuvent circuler en même temps sur une ligne commune, il est nécessaire d'établir des règles de circulation afin de garantir la sécurité. Comme sur route, une signalisation a été mise en place ainsi que des systèmes de prévention des risques ferroviaires. Un de ces systèmes est le cantonnement (ou block-système), qui interdit à un train d'entrer sur une section de ligne où se trouve déjà un autre train.

Comme tout transport en commun, les trains ne s'arrêtent pas n'importe où. Les voyageurs prennent le train dans une gare pour descendre dans une autre, parfois après avoir eu à effectuer des correspondances.
Les marchandises sont chargées sur des wagons dans une gare de fret ou sur un embranchement particulier. Elles changent de direction dans des triages. Les conteneurs sont chargés et déchargés à un terminal de transport combiné.

Les infrastructures ferroviaires nécessitent un entretien constant. Il s'agit d'opérations diversifiées, dont la nature dépend de la nature de la voie elle-même et des conditions dans lesquelles elle se trouve implantée : déneigement, Renouvellement Voie Ballast, inspection des ouvrages d'art, désherbage, etc.

Les véhicules ferroviaires sont appelés trains. Depuis la seconde moitié du XXe siècle, on a vu apparaître l'expression train à grande vitesse pour qualifier les matériels dépassant les 250 km/h.

Les trains que l'on rencontre ont plusieurs structures. La première, la plus classique, est celle d'un convoi composé d'une (ou plusieurs) locomotive(s), de voitures dans le cas de trains de voyageurs ou bien de wagons. Dans le cas où la locomotive peut pousser la rame au lieu de la tirer, on dispose de voitures pilotes, dotées d'une cabine de conduite. En Belgique, des voitures pilote M7 motorisé sont en cours d'homologation.

Les locomotives peuvent être de plusieurs types, selon leur source d'énergie. Anciennement, on trouvait des locomotives à vapeur, brûlant du charbon ou du mazout. Actuellement, on trouve surtout des locomotives diesel, mues par un moteur thermique, ainsi que des locomotives électriques, alimentées par caténaire ou troisième rail.

Le second cas de figure est celui de convois indéformables comprenant à la fois éléments de traction et compartiments voyageurs appelés rames automotrices. Il existe en Allemagne des rames automotrices destinées aux marchandises. Une rame automotrice à traction diesel est appelée automoteur ou autorail, à l'exception notable des turbotrains. Les TGV sont des automotrices, ainsi que la plupart des trains à grande vitesse.

Pour les manœuvres ou la traction de trains légers, on a recours à des locotracteurs, électriques ou diesel. Alors qu'en France, on ne trouvera que des diesel, la Suisse dispose d'une majorité d'engins électriques.

Les services de l'entretien des voies utilisent des draisines, de petits véhicules capables de déplacer une équipe sur son chantier. On trouvera également à l'entretien des voies une grande variété de matériels spécialisés : désherbeuses, raton-laveur, bourreuses, etc.

Une grande variété de systèmes de transport dérivant du principe de base du chemin de fer existent. Les points communs entre ces systèmes sont le roulement fer sur fer et le guidage. Les variantes se situent au niveau de la structure et du mode d'exploitation.

En zone urbaine, du fait de la multitude d'infrastructures et de la nécessité de transporter un nombre élevé de passagers, le recours à des métros, reposant soit sur des infrastructures souterraines ou aériennes pour limiter l'espace occupé constitue une solution privilégiée par les grandes agglomérations. Ailleurs, des systèmes moins lourds ont été utilisés : VAL - Skytrain.

Pour la desserte d'une métropole entière, le système du Réseau express régional est utilisé. Il s'agit de mettre en place des axes permettant de transporter d'importantes quantités de voyageurs, souvent entre banlieue et centre urbain.

Le tramway permet une desserte plus fine (des arrêts plus rapprochés) en s'insérant dans le tissu urbain. Cependant, sa capacité par ligne est bien moins élevée que celle des métros. Néanmoins, son coût nettement moins élevé permet, pour un même budget, de multiplier les lignes et donc les lieux desservis et ainsi de ne pas concentrer artificiellement les flux de voyageurs.

Par son principe de fonctionnement, un train ne peut pas gravir d'importantes déclivités. Pour compenser cela, les ingénieurs ont eu l'idée de placer un troisième axe sur lequel le convoi vient prendre appui. Il s'agit du chemin de fer à crémaillère.

Si les déclivités sont encore plus importantes, on a recours au funiculaire. La traction est alors assurée par un câble. Dans certaines villes (San Francisco par exemple), il existe des tramways à traction par câble qui permet de concentrer le moteur de traction en un seul point.

Le téléphérique peut être considéré comme un « funiculaire suspendu », dont la voie est constituée par un ou plusieurs câbles porteurs fixes. Cette installation ferroviaire à part entière était d'ailleurs appelée « funiculaire aérien » à ses débuts. Le dictionnaire Flammarion de 1982 définit le téléphérique comme un « type de chemin de fer dont les véhicules circulent sur des câbles aériens faisant office de rails ».

La Télécabine sur voie, « système SK (transport) » ou l'ancien système Poma 2000 de Laon : Ces systèmes légers sont constitués de cabines guidées, tractées par un ou plusieurs câbles.

Pour limiter l'espace occupé, certains ont pensé à des monorails. Ce système est relativement peu utilisé pour le transport de voyageurs mais commun dans l'industrie dans sa version portante (rail au plafond).

Une des pistes d'évolution du chemin de fer est le train à sustentation magnétique. Les essais de ce système sont prometteurs[réf. nécessaire].

À l'inverse, d'autres expérimentations portent (ou ont porté) sur des trains gravitationnels, mus par la pesanteur, à la manière des trains de parc d'attractions qui, une fois lancés, avancent grâce à leur propre inertie.

La maintenance des trains requiert un grand nombre d’équipements ainsi que des centres de dépôt et de maintenance ferroviaire, qui requièrent eux-mêmes d’être entretenus. Parmi ces équipements, l’on peut citer :

Les entreprises ferroviaires réalisent généralement deux types d’opérations de maintenance : des opérations planifiées afin de réparer les principaux systèmes, et des interventions mineures non planifiées sur du matériel endommagé (réparation de portes ou de vitres). Ces deux approches présentent cependant deux inconvénients majeurs : dans le premier cas, un risque avéré de réparation trop précoce des pièces, et dans le second cas, de fortes probabilités de retard des trains, provoquant le mécontentement des utilisateurs.[14]



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plus 
30 000 km de chemins de fer industriels

dont 21 000 km en Afrique du Sud

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