Transportasi rel

Pengangkutan rel, perhubungan rel, atau transportasi rel (sering disebut juga perkeretaapian) adalah pemindahan penumpang dan barang di atas kendaraan beroda yang berjalan di atas rel. Berbeda dengan transportasi jalan, yakni kendaraan berjalan di atas permukaan datar, sarana perkeretaapian selalu diarahkan oleh rel tempatnya berjalan. Rel umumnya berupa batangan baja, dipasang pada bantalan dan kricak, tempat sarana dengan roda, umumnya baja, bergerak. Variasi lain juga dimungkinkan, seperti slab track, yaitu rel ditambatkan ke fondasi beton tanpa perlu kricak.
Sarana dalam sistem transportasi kereta api umumnya menghadapi hambatan gesek yang lebih rendah daripada kendaraan roda karet, sehingga kereta api penumpang dan gerbong dapat digabungkan menjadi kereta yang lebih panjang. Operasi ini dilakukan oleh perusahaan kereta api, yang menyelenggarakan operasi antara stasiun kereta api penumpang atau barang. Tenaga disediakan oleh lokomotif yang mengambil daya listrik dari sistem elektrifikasi kereta api atau menghasilkan tenaga sendiri, biasanya dengan mesin diesel. Sebagian besar rel disertai dengan sistem persinyalan. Kereta api adalah sistem transportasi darat yang aman jika dibandingkan dengan bentuk transportasi lainnya. Transportasi kereta api mampu mengakomodasi arus penumpang dan barang yang tinggi dan efisiensi energi, tetapi sering kurang fleksibel dan membutuhkan banyak modal daripada transportasi jalan, ketika tingkat lalu lintas yang lebih rendah dipertimbangkan.
Transportasi rel tertua yang diketahui oleh manusia berasal dari abad ke-6 SM di Korintus, Yunani. Transportasi kereta api dimulai pada pertengahan abad ke-16 di Jerman dalam bentuk trem kuda dan kereta bertenaga kuda. Transportasi kereta api modern dimulai dengan pengembangan lokomotif uap Inggris pada awal abad ke-19. Dengan demikian sistem kereta api di Britania Raya adalah yang tertua di dunia. Dibuat oleh perusahaan milik George Stephenson dan putranya Robert, Robert Stephenson and Company, Locomotion No. 1 adalah lokomotif uap pertama yang mengangkut penumpang di jalur kereta umum, Stockton and Darlington Railway pada 1825. George Stephenson juga membangun jalur kereta api antarkota pertama di dunia yang hanya menggunakan lokomotif uap sepanjang waktu, Liverpool and Manchester Railway yang dibuka pada 1830. Dengan mesin uap, orang dapat membangun jalur kereta api utama, yang merupakan penggerak awal dari Revolusi Industri. Juga, kereta api menghemat biaya pengiriman, dan memungkinkan lebih sedikit kehilangan materi, dibandingkan dengan transportasi air, yang kadang-kadang menghadapi tenggelamnya kapal. Perubahan dari transportasi kanal ke kereta api membawa transportasi ini menuju "pasar nasional" dengan tingkat tarif yang amat sedikit dari kota ke kota. Penyebaran jaringan kereta api dan penggunaan jadwal kereta api, menyebabkan standardisasi jadwal kereta api di Inggris berdasarkan Greenwich Mean Time. Sebelumnya, kota-kota besar memiliki waktu lokal relatif terhadap GMT. Penemuan dan pengembangan kereta api di Inggris adalah salah satu penemuan teknologi yang amat penting di abad ke-19. Kereta bawah tanah pertama di dunia, Metropolitan Railway (bagian dari London Underground), dibuka pada 1863.
Pada tahun 1880-an, Kereta Rel Listrik (KRL) diperkenalkan, yang mengarah ke elektrifikasi trem dan angkutan cepat. Mulai tahun 1940-an, lintas non-KRL yang di sebagian besar negara memiliki lokomotif uap digantikan oleh lokomotif diesel-elektrik, dengan proses yang hampir selesai pada tahun 2000-an. Selama tahun 1960-an, sistem kereta listrik berkecepatan tinggi diperkenalkan di Jepang dan kemudian di beberapa negara lain. Banyak negara sedang dalam proses mengganti lokomotif diesel dengan lokomotif listrik, terutama karena masalah lingkungan, contohnya adalah Swiss, yang telah sepenuhnya melistriki jaringannya. Bentuk-bentuk transportasi (seperti) kereta api dengan lintas tetap di luar definisi kereta api tradisional, seperti monorel atau maglev, telah dicoba tetapi penggunaannya terbatas.
Menyusul kemunduran setelah Perang Dunia II karena persaingan dengan mobil pribadi dan angkutan umum roda karet, transportasi kereta api telah mengalami kebangkitan kembali dalam beberapa dekade terakhir karena kemacetan jalan dan kenaikan harga bahan bakar, serta pemerintah yang berinvestasi dalam kereta api sebagai cara mengurangi emisi CO2 dalam konteks kekhawatiran tentang pemanasan global.
Sejarah transportasi kereta dimulai pada abad ke-6 SM di Yunani Kuno, dibagi menurut kepentingan, sistem yang digunakan, sarana, maupun prasarana yang digunakan.
Bukti menunjukkan bahwa ada jalur mirip rel dengan perkerasan Diolkos sepanjang 6 hingga 8,5 km, yang mengangkut perahu melintasi Tanah Genting Korintus di Yunani dari sekitar 600 SM. Lori yang ditarik oleh manusia dan binatang melaju di alur yang terbuat dari batu kapur, yang menyediakan lintasan untuk lori serta mencegah lori keluar dari jalurnya. Diolkos digunakan selama lebih dari 650 tahun, sampai setidaknya abad ke-1 Masehi. Jalan dengan mirip perkerasan juga kemudian dibangun di Aegyptus.
Pada 1515, Kardinal Matthäus Lang menulis deskripsi tentang Reisszug, kereta funikular yang digerakkan oleh tali di Kastil Hohensalzburg di Austria. Jalur ini awalnya menggunakan rel kayu dan tali penarik dari serat rami dan dioperasikan oleh tenaga manusia atau hewan, menggunakan roda treadwheel. Jalur ini masih ada dan masih beroperasi, meskipun dalam bentuk yang diperbarui dan mungkin merupakan kereta api operasional tertua.
Jalur lori (atau trem) yang menggunakan rel kayu, ditarik kuda, mulai muncul pada tahun 1550-an untuk memfasilitasi transportasi bak bijih ke dan dari tambang, dan segera menjadi populer di Eropa. Operasi semacam itu diilustrasikan di Jerman pada 1556 oleh Georgius Agricola (gambar kanan) dalam karyanya, De re metallica. Jalur ini menggunakan gerobak "Hund" dengan roda tanpa flens yang berjalan di atas papan kayu dan pin vertikal pada roda yang masuk ke celah di antara papan untuk menjaga agar tetap berada pada jalannya. Para penambang memanggil kereta Hunde ("anjing") dari suara roda yang beradu dengan rel.
Ada banyak referensi tentang penggunaannya di Eropa tengah pada abad ke-16. Sistem transportasi semacam itu kemudian digunakan oleh para penambang Jerman di Caldbeck, Cumbria, Inggris, mungkin dari tahun 1560-an. Sebuah jalur lori dibangun di Prescot. dekat Liverpool, sekitar 1600, mungkin pada awal 1594. Dimiliki oleh Philip Layton, jalur tersebut membawa batu bara dari sebuah lubang tambang di dekat Prescot Hall ke sebuah terminal batu bara sekitar setengah mil jauhnya. Sebuah jalur kereta funikular juga dibuat di Broseley di Shropshire beberapa waktu sebelum 1604. Jalur ini membawa batu bara perusahaan milik James Clifford dari tambangnya ke sungai Severn untuk dimuat ke tongkang dan dibawa ke kota-kota tepi sungai. Wollaton Wagonway, selesai pada 1604 oleh Huntingdon Beaumont, kadang-kadang dianggap keliru disebut sebagai jalur lori Inggris pertama. Jalur ini membentang dari Strelley ke Wollaton dekat Nottingham.
Middleton Railway di Leeds, yang dibangun pada 1758, kemudian menjadi lintas rel operasional tertua di dunia (selain dari funikular), meskipun sekarang dalam bentuk yang ditingkatkan. Pada 1764, jalur rel pertama di Amerika dibangun di Lewiston, New York.
Pada akhir 1760-an, Coalbrookdale Company mulai memasang pelat dari besi cor ke permukaan atas rel kayu. Ini yang menyebabkan mulainya penerapan variasi lebar sepur. Pada awalnya, hanya petak balon dapat digunakan untuk berbalik arah, tetapi kemudian, wesel mulai digunakan untuk berpindah jalur.
Suatu sistem dengan roda tanpa flens berjalan di atas pelat logam berbentuk L telah diperkenalkan, dikenal juga dengan istilah plateway. John Curr, seorang manajer tambang batu bara Sheffield, menemukan rel berflens ini pada tahun 1787, meskipun tanggal pastinya diperdebatkan. Rel berpelat ini diambil alih oleh Benjamin Outram untuk jalur lori yang melayani kanal-kanal, dan memproduksinya di pabrik besi Butterley. Pada 1803, William Jessop membuka Surrey Iron Railway, jalur ganda lori, yang kadang-kadang disebut sebagai lori publik pertama di dunia, di London selatan.
Sementara itu, William Jessop yang sebelumnya menggunakan bentuk rel pinggir dan roda berflens berhasil memperpanjang lintasnya ke Charnwood Forest Canal di Nanpantan, Loughborough, Leicestershire pada 1789. Pada 1790, Jessop dan rekannya Outram mulai memproduksi rel pinggir. Jessop menjadi rekan di Butterley Company pada 1790. Jalur rel pinggir umum pertama (dengan demikian juga lintas umum pertama) yang dibangun adalah Lake Lock Rail Road pada tahun 1796. Meskipun tujuan utama dari jalur ini adalah untuk mengangkut batu bara, namun juga mengangkut penumpang.
Kedua sistem konstruksi rel kereta api besi, rel pelat "L" dan rel pinggir, terus eksis bersama hingga memasuki awal abad ke-19. Roda berflens dan rel pinggir akhirnya membuktikan keunggulannya dan menjadi standar untuk kereta api.
Besi cor yang digunakan di rel terbukti tidak memuaskan karena rapuh dan pecah bila dikenai beban berat. Besi tempa ditemukan oleh John Birkinshaw pada tahun 1820 menggantikan besi cor. Besi tempa (biasanya hanya disebut sebagai "besi") adalah bahan ulet yang bisa mengalami deformasi yang cukup sebelum pecah, membuatnya lebih cocok untuk rel besi. Tetapi besi masih mahal untuk diproduksi sampai Henry Cort mematenkan proses aduk pada 1784. Pada 1783 Cort juga mematenkan proses rolling baja, yang 15 kali lebih cepat dalam mengkonsolidasikan dan membentuk besi daripada menempa. Proses-proses ini sangat menurunkan biaya produksi besi dan rel. Perkembangan penting berikutnya dalam produksi besi adalah proses tiupan udara panas yang dikembangkan oleh James Beaumont Neilson (dipatenkan 1828), yang sangat mengurangi jumlah kokas (bahan bakar) atau arang yang dibutuhkan untuk memproduksi besi mentah. Besi tempa adalah bahan lunak, yang cenderung membuat rel besi mengeriting dan mereka bertahan kurang dari 10 tahun. Terkadang mereka bertahan hanya satu tahun di bawah lalu lintas tinggi. Semua perkembangan ini dalam produksi besi akhirnya mengarah pada penggantian rel kayu/besi komposit dengan rel sepenuhnya besi.
Diperkenalkannya proses Bessemer memungkinkan baja dibuat murah, menyebabkan jalur kereta diperluas besar-besaran mulai akhir 1860-an. Rel baja dapat bertahan lebih lama daripada besi. Rel baja mengakomodasi lokomotif yang lebih berat, kereta yang lebih panjang, dan meningkatkan produktivitas operator kereta. Proses Bessemer adalah memasukkan nitrogen ke dalam baja, yang menyebabkan baja menjadi rapuh seiring bertambahnya usia. Tungku terbuka mulai menggantikan proses Bessemer di dekat akhir abad ke-19, meningkatkan kualitas baja dan semakin menghemat biaya. Sehingga, baja sepenuhnya menggantikan penggunaan besi di rel, menjadi standar untuk semua kereta api.
Trem kuda penumpang pertama, Swansea and Mumbles Railway dibuka antara Swansea dan Mumbles di Wales pada 1807. Kuda tetap menjadi moda yang lebih disukai untuk transportasi trem bahkan setelah kedatangan mesin uap, baik sampai akhir abad ke-19. Alasan utama adalah bahwa trem kuda lebih ramah lingkungan dibandingkan dengan trem uap yang menyebabkan asap di jalan-jalan kota.
James Watt, seorang penemu dan insinyur mesin Skotlandia, mencoba meningkatkan mesin uap Thomas Newcomen, yang sampai sekarang digunakan untuk memompa air keluar dari tambang. Watt mengembangkan motor bakar torak pada tahun 1769, yang mampu menggerakkan roda. Meskipun mesin Watt hanya digunakan dalam pabrik pemintalan kapas dan pabrik-pabrik dengan mesin lainnya, mesin itu adalah mesin stasioner besar. Sebaliknya, keadaan teknologi ketel mengharuskan penggunaan uap tekanan rendah yang bekerja pada ruang hampa di dalam silinder; ini membutuhkan kondensor terpisah dan pompa udara. Namun demikian, ketika konstruksi ketel uap dikembangkan, Watt menyelidiki penggunaan uap tekanan tinggi yang bekerja langsung pada piston. Hal ini memungkinkan ukuran mesin yang lebih kecil, dapat digunakan untuk menyalakan kendaraan. Akhirnya ia mematenkan desain untuk lokomotif uap pada tahun 1784. Pegawainya, William Murdoch, membuat model kereta uap berpenggerak-sendiri pada tahun itu.
Lokomotif uap kereta api pertama kali diproduksi massal di Inggris pada tahun 1804 oleh Richard Trevithick, seorang insinyur Inggris yang lahir di Cornwall. Lok ini menggunakan uap tekanan tinggi untuk menggerakkan mesin dengan satu langkah tenaga. Sistem transmisi menggunakan roda gila besar untuk menyamaratakan pergerakan batang piston. Pada 21 Februari 1804, perjalanan kereta api uap pertama di dunia terjadi ketika lokomotif uap Trevithick yang tidak bernama menarik sebuah kereta di sepanjang jalan trem dari pabrik besi Penydarren, dekat Merthyr Tydfil di Wales Selatan . Trevithick kemudian mendemonstrasikan sebuah lokomotif yang beroperasi di atas jalur rel melingkar di Bloomsbury, London, Catch Me Who Can, tetapi tidak pernah melampaui tahap eksperimental dengan lokomotif kereta api, paling tidak karena mesinnya terlalu berat untuk lintasan besi cor.
Lokomotif uap pertama yang sukses secara komersial adalah lokomotif rel gigi karya Matthew Murray, Salamanca, dibangun untuk Middleton Railway di Leeds pada tahun 1812. Lokomotif bersilinder kembar ini tidak cukup berat untuk memecahkan rel pinggir, namun menyelesaikan masalah adhesi dengan roda gigi yang menggelinding di atas rak gigi pada sisi salah satu rel. Sehingga itu juga kereta api rel gigi pertama.
Selanjutnya pada tahun 1813 diikuti oleh lokomotif Puffing Billy yang diproduksi oleh Christopher Blackett dan William Hedley untuk Wylam Colliery Railway, lokomotif pertama yang sukses berjalan hanya dengan adhesi. Hal ini dicapai dengan adanya distribusi berat di tiap-tiap gandarnya. Puffing Billy sekarang dipajang di Science Museum di London, menjadikannya lokomotif tertua yang dikoleksi di situ.
Pada tahun 1814 George Stephenson, terinspirasi oleh lokomotif awal Trevithick, Murray, dan Hedley, membujuk manajer tambang batu bara Killingworth tempat ia bekerja untuk memproduksi mesin bertenaga uap. Stephenson memainkan peran penting dalam pengembangan dan adopsi bentuk lokomotif uap. Desainnya ditingkatkan berdasarkan karya perintis sebelumnya. Ia membangun lokomotif Blücher, juga merupakan lokomotif adhesi roda berflens yang sangat sukses. Pada tahun 1825 ia membangun lokomotif Locomotion untuk Stockton dan Darlington Railway di timur laut Inggris, yang menjadi kereta api uap umum pertama di dunia pada tahun 1825, meskipun menggunakan tenaga kuda dan tenaga uap pada lintasan berbeda. Pada 1829, ia membangun lokomotif Rocket, yang masuk dan memenangkan Rainhill Trials . Keberhasilan ini menyebabkan Stephenson mendirikan perusahaannya sebagai pembangun lokomotif uap yang unggul untuk kereta api di Inggris dan Irlandia, Amerika Serikat, dan sebagian besar Eropa. Kereta api umum pertama yang hanya menggunakan lokomotif uap, sepanjang waktu, adalah Liverpool dan Manchester Railway, yang diproduksi pada 1830.
Tenaga uap terus menjadi sistem tenaga dominan di jalur kereta api di seluruh dunia selama lebih dari satu abad.
Lokomotif listrik pertama yang diketahui diproduksi pada tahun 1837 oleh kimiawan Robert Davidson dari Aberdeen, Skotlandia, dan ditenagai sel galvanik (baterai/aki). Dengan demikian itu juga lokomotif baterai paling awal. Davidson kemudian membangun lokomotif yang lebih besar bernama Galvani, yang dipamerkan di Pameran Masyarakat Seni Kerajaan Skotlandia pada tahun 1841. Kendaraan tujuh ton ini memiliki dua motor penggerak direct-drive, dengan elektromagnet-tetap bekerja pada batang besi yang terpasang pada silinder kayu di setiap poros, dan komutator sederhana. Loko ini dapat mengangkut beban enam ton dengan kecepatan empat mil per jam (6 kilometer per jam) untuk jarak 1+1⁄2 mil (2,4 kilometer). Diuji di Edinburgh dan Glasgow Railway pada bulan September tahun berikutnya, daya baterai yang terbatas mencegah penggunaannya secara umum. Loko itu justru dirucat oleh pekerja kereta apinya sendiri, yang menganggap itu adalah sebagai ancaman bagi keamanan pekerjaan mereka.
Werner von Siemens mendemonstrasikan kereta api listrik pada tahun 1879 di Berlin. Jalur trem listrik pertama di dunia, Trem Gross-Lichterfelde, dibuka di Lichterfelde dekat Berlin, Jerman, pada tahun 1881, dibangun oleh Siemens. Trem berjalan pada listrik bertegangan 180 V DC, yang dipasok oleh rel. Pada tahun 1891 jalur rel dilengkapi dengan kabel listrik aliran atas (LAA) dan jalur diperpanjang ke stasiun Berlin-Lichterfelde Barat. Volk's Electric Railway dibuka pada 1883 di Brighton, Inggris. Lintas kereta ini masih beroperasi, sehingga menjadikannya kereta listrik tertua di dunia. Juga pada tahun 1883, Mödling dan Hinterbrühl Tram dibuka di dekat Wina, Austria. Itu adalah jalur trem pertama di dunia dalam layanan reguler yang ditenagai dari LAA. Lima tahun kemudian, di Amerika Serikat trem listrik dipelopori pada 1888 di Richmond Union Passenger Railway, menggunakan peralatan yang dirancang oleh Frank J. Sprague .
Penggunaan elektrifikasi pertama pada jalur utama adalah pada petak sejauh empat mil dari Baltimore Belt Line, dioperasikan oleh Baltimore and Ohio Railroad (B&O) pada tahun 1895 yang menghubungkan bagian utama B&O ke jalur baru ke New York melalui serangkaian terowongan di sekitar tepi pusat kota Baltimore. Listrik dengan cepat menjadi catu daya pilihan untuk kereta bawah tanah, mengikuti penemuan kontrol multiple-unit Sprague pada tahun 1897. Pada awal 1900-an, sebagian besar jalur trem dilistriki.
London Underground, kereta api bawah tanah tertua di dunia, dibuka pada 1863, dan mulai mengoperasikan layanan listrik menggunakan sistem rel keempat pada 1890 di City dan South London Railway, sekarang bagian dari jalur London Underground Northern. Ini adalah kereta api utama pertama yang menggunakan traksi listrik. Kereta api listrik bawah air pertama di dunia, beroperasi dari Kota London, di bawah Sungai Thames, ke Stockwell di London selatan.
Lokomotif listrik AC praktis pertama dirancang oleh Charles Brown, kemudian bekerja di Oerlikon, Zürich. Pada tahun 1891, Brown telah menunjukkan transmisi daya jarak jauh, menggunakan AC tiga fase, antara pembangkit listrik tenaga air di Lauffen am Neckar dan Frankfurt am Main Barat, sejauh 280 km. Menggunakan pengalaman saat bekerja di Jean Heilmann pada desain lokomotif uap-listrik, Brown mengamati bahwa motor tiga fase memiliki rasio daya-ke-berat yang lebih tinggi daripada motor DC dan, karena tidak adanya komutator, lebih mudah untuk memproduksi dan merawatnya. Namun, motor ini jauh lebih besar daripada motor DC pada waktu itu dan tidak dapat dipasang pada bogie di bawah lantai: mereka hanya bisa dipasang di dalam badan lokomotif.
Pada tahun 1894, insinyur Hungaria Kálmán Kandó mengembangkan motor penggerak listrik asinkronik 3-fase tipe baru dan generator untuk lokomotif listrik. Desain awal 1894 Kandó pertama kali diterapkan dalam jalur trem AC-tiga-fase pendek di Evian-les-Bains (Prancis), yang dibangun antara 1896 dan 1898.
Pada tahun 1896, Oerlikon memasang rencana komersial pertama dari sistem di Jalur Trem Lugano. Setiap lokomotif 30 ton memiliki dua motor berdaya 110 kW (150 hp) dijalankan dengan listrik berdaya 750 V 40 Hz tiga-fase dipasok dari kabel LAA berganda. Motor tiga fase berjalan dengan kecepatan konstan dan memberikan pengereman regeneratif, dan sangat cocok untuk lintas curam, dan lokomotif tiga-fase jalur utama pertama dipasok oleh Brown (saat itu bekerja sama dengan Walter Boveri) pada tahun 1899 pada Burgdorf—Thun line, Swiss, sejauh 40 km.
Lintas kereta api Italia adalah yang pertama di dunia yang memperkenalkan traksi listrik untuk seluruh jalur utama daripada per petak. Jalur Valtellina sejauh 106 km dibuka pada 4 September 1902, dirancang oleh Kandó dan tim berdasarkan karya Ganz. Sistem kelistrikan adalah tiga-fase pada 3 kV 15 Hz. Pada tahun 1918, Kando menemukan dan mengembangkan konverter fase putar, yang memungkinkan lokomotif listrik untuk menggunakan motor tiga-fase dengan aliran listrik dipasok melalui kabel LAA tunggal, membawa frekuensi industrial sederhana (50 Hz) AC fase-tunggal sebagai standar nasional elektrifikasi jalur kereta api tersebut.
Kontribusi penting terhadap adopsi traksi listrik AC yang lebih luas datang dari SNCF Prancis setelah Perang Dunia II. Perusahaan itu melakukan uji coba pada AC 50 Hz, dan menetapkannya sebagai standar. Setelah uji coba SNCF yang sukses, 50 Hz diadopsi sebagai standar frekuensi untuk jalur utama di seluruh dunia.
Contoh-contoh awal yang dicatat dari motor bakar pembakaran dalam untuk penggunaan kereta api termasuk prototipe yang dirancang oleh William Dent Priestman, yang diuji oleh Sir William Thomson pada tahun 1888 yang menggambarkannya sebagai "[mesin minyak Priestman] yang dipasang pada sebuah bogie yang dijalankan pada jalur KA sementara untuk menunjukkan adaptasi mesin minyak untuk keperluan lokomotif." Pada 1894, mesin gandar dua berdaya 20 hp (15 kW) dibangun oleh Priestman Brothers dan digunakan pada Pelabuhan Hull Docks.
Pada tahun 1906, Rudolf Diesel, Adolf Klose, dan produsen mesin uap dan diesel Gebrüder Sulzer mendirikan Diesel-Sulzer-Klose GmbH untuk memproduksi lokomotif bertenaga diesel. Sulzer telah memproduksi mesin diesel sejak 1898. Perusahaan kereta api nasional Prusia memesan lokomotif diesel dari perusahaan ini pada tahun 1909. Lokomotif bertenaga diesel pertama di dunia dioperasikan pada musim panas 1912 di jalur kereta api Winterthur-Romanshorn di Swiss, tetapi tidak sukses secara komersial. Berat lokomotif dan daya mesin berturut-turut 95 ton dan 883 kW dengan kecepatan maksimum 100 km/jam. Sejumlah kecil purwarupa lokomotif diesel diproduksi di sejumlah negara hingga pertengahan 1920-an.
Sebuah terobosan signifikan terjadi pada tahun 1914, ketika Hermann Lemp, seorang insinyur listrik General Electric, mengembangkan dan mematenkan sistem kontrol listrik arus searah yang dapat diandalkan (pengembangan selanjutnya juga dipatenkan oleh Lemp). Desain Lemp menggunakan tuas tunggal untuk mengendalikan mesin dan generator secara terkoordinasi, dan merupakan purwarupa untuk semua sistem kontrol lokomotif diesel-elektrik. Pada tahun 1914, kereta rel diesel-elektrik (KRDE) pertama di dunia diproduksi untuk Königlich-Sächsische Staatseisenbahnen (Royal Saxon State Railways) oleh Waggonfabrik Rastatt dengan peralatan listrik buatan Brown, Boveri & Cie dan mesin diesel buatan Sulzer AG asal Swiss. KRDE ini dinomori DET 1 dan DET 2. Penggunaan reguler pertama lokomotif diesel-listrik adalah pada kegiatan pelangsiran. General Electric memproduksi beberapa lokomotif pelangsir kecil pada 1930-an (" 44-tonner" yang terkenal diperkenalkan pada 1940). Westinghouse Electric dan Baldwin berkolaborasi untuk memproduksi lokomotif pelangsir mulai tahun 1929.
Pada tahun 1929, Canadian National Railways menjadi kereta api Amerika Utara pertama yang menggunakan mesin diesel dalam layanan lintas utama dengan dua unit, 9000 dan 9001, produksi Westinghouse.
Meskipun layanan uap dan diesel berkecepatan tinggi dimulai sebelum tahun 1960 di Eropa, pelayanan itu tidak terlalu berhasil.
Kereta api kecepatan tinggi pertama, Tōkaidō Shinkansen, diperkenalkan pada 1964 antara Tokyo dan Osaka di Jepang. Sejak itu transportasi KA berkecepatan tinggi, berfungsi pada kecepatan hingga dan di atas 300 km/jam, telah dibangun di Jepang, Spanyol, Prancis, Jerman, Italia, Republik Rakyat Tiongkok, Taiwan (Republik Tiongkok), Inggris, Korea Selatan, Skandinavia, Belgia, dan Belanda . Pembangunan banyak jalur ini telah mengakibatkan okupansi penerbangan domestik dan jarak pendek menurun dan beban jalan raya semakin berkurang, seperti koridor London-Paris-Brussels, Madrid-Barcelona, Milan-Roma-Napoli, serta banyak jalur utama lainnya.
Kereta api berkecepatan tinggi biasanya beroperasi pada sepur standar dan rel yang dilas secara terus-menerus pada ruang milik jalan yang terpisah dari jalur konvensional memungkinkan jari-jari lengkung yang besar dalam desainnya. Meski kereta berkecepatan tinggi paling sering dirancang untuk perjalanan penumpang, beberapa sistem berkecepatan tinggi juga menawarkan layanan pengiriman cepat.
Kereta api adalah rangkaian kendaraan rel yang terangkai dan bergerak di sepanjang lintasan rel. Penggerak untuk kereta disediakan oleh lokomotif terpisah atau memiliki motor penggerak sendiri (seperti pada kereta rel diesel). Sebagian besar kereta api memberi pendapatan dari penumpang ataupun barang bagi perusahaan, meskipun nonpendapatan ada untuk penggunaan kereta api itu sendiri, seperti untuk tujuan perawatan rel. Masinis menggerakkan lokomotif atau kereta berpenggerak, meskipun pemindah orang dan beberapa angkutan cepat dikendalikan otomatis.
Secara tradisional, kereta api ditarik menggunakan lokomotif. Hal ini melibatkan satu atau lebih kendaraan berpenggerak yang terletak di bagian depan kereta, memberikan kekuatan traksi yang cukup untuk menghela satu kereta penuh. Pengaturan ini tetap dominan untuk kereta api barang dan sering digunakan untuk kereta api penumpang. Sistem tarik–dorong memiliki dua kereta ujung yang dilengkapi dengan kabin masinis sehingga masinis dapat mengontrol lokomotif dari jarak jauh. Hal ini membuat kelemahan yang diakibatkan dari perpindahan posisi lokomotif dapat dikurangi saat berubah arah, seperti efisiensi waktu dan tenaga. Gerbong adalah kendaraan yang digunakan untuk mengangkut penumpang atau barang.
Kereta rel penggerak banyak memiliki roda berpenggerak pada tiap set kereta. Biasanya digunakan untuk sistem transit dan trem cepat, serta banyak kereta api penumpang jarak pendek dan jarak jauh. Kereta rel penggerak tunggal adalah kereta tunggal bertenaga sendiri dan dapat digerakkan dengan listrik atau ditenagai oleh mesin diesel. Beberapa unit memiliki kabin masinis di kedua ujungnya, dan dikembangkan mengikuti kemampuan untuk membangun motor listrik dan mesin yang cukup kecil untuk muat di bawah . Hanya ada beberapa unit pengiriman barang, yang sebagian besar adalah kereta pos berkecepatan tinggi.
Lokomotif uap adalah lokomotif dengan mesin uap yang memberi gaya adhesi. Batu bara, minyak bumi, atau kayu dibakar dalam tungku api, dan mendidihkan air dalam ketel untuk menghasilkan uap bertekanan. Uap bergerak melalui kotak asap sebelum keluar melalui cerobong asap. Dalam prosesnya, motor ini menggerakkan piston yang mentransmisikan daya secara langsung melalui batang piston dan pena engkol roda penggerak atau ke engkol pada gandar penggerak. Lokomotif uap telah dihapus di sebagian besar dunia karena alasan ekonomi dan keselamatan, meskipun banyak yang diawetkan agar berfungsi dengan baik oleh jalur kereta api sejarah.
Lokomotif listrik mendapat daya dari gardu listrik melalui kabel listrik aliran atas atau rel ketiga. Beberapa juga menggunakan baterai. Pada lokomotif yang ditenagai oleh arus bolak-balik tegangan tinggi, transformator di lokomotif mengubah tegangan tinggi, daya arus rendah ke tegangan rendah, arus tinggi yang digunakan pada motor traksi dan memberi daya pada roda. Lokomotif modern dapat menggunakan motor induksi AC tiga-fase atau motor arus searah. Dalam kondisi tertentu, lokomotif listrik adalah traksi paling kuat. Juga merupakan solusi termurah untuk menjalankan pelayanan dan memberikan lebih sedikit kebisingan dan minim pencemaran udara. Namun, sistem ini memerlukan investasi modal tinggi baik untuk LAA maupun infrastruktur pendukung, serta pembangkit yang diperlukan untuk menghasilkan listrik. Dengan demikian, traksi listrik lebih banyak digunakan pada sistem perkotaan, jalur dengan lalu lintas tinggi, dan untuk kereta berkecepatan tinggi.
Lokomotif diesel menggunakan mesin diesel sebagai penggerak utama. Transmisi energi dapat berupa diesel-elektrik, diesel-mekanik, atau diesel-hidraulis tetapi diesel-elektrik dominan. Lokomotif elektro-diesel dibangun untuk beroperasi sebagai diesel-listrik pada bagian yang tidak memiliki listrik dan sebagai lokomotif listrik pada bagian yang dialiri listrik.
Metode alternatif tenaga penggerak termasuk levitasi magnetik, kuda, kabel, gaya gravitasi, pneumatik, dan turbin gas.
Kereta api penumpang bergerak di antara stasiun-stasiun tempat penumpang dapat naik dan turun. Pengawasan kereta adalah tugas kondektur. Kereta api penumpang adalah bagian dari angkutan umum dan sering menjadi pusat perhatian pelayanan, dengan bus-bus mengumpan ke stasiun. Kereta api penumpang menyediakan perjalanan antarkota jarak jauh, perjalanan komuter harian, atau layanan transit perkotaan lokal. Kereta api penumpang biasanya dapat dibagi menjadi dua operasi: kereta api antarkota dan angkutan dalam kota. Kereta api antarkota melibatkan kecepatan yang lebih tinggi, rute yang lebih panjang, dan frekuensi yang lebih rendah (biasanya dijadwalkan), sedangkan transit perkotaan melibatkan kecepatan yang lebih rendah, rute yang lebih pendek, dan frekuensi yang lebih tinggi (terutama selama jam sibuk).
Kereta api antarkota adalah kereta api jarak jauh yang beroperasi dengan sedikit pemberhentian. Kereta biasanya memiliki fasilitas seperti kereta makan. Beberapa jalur juga menyediakan layanan malam dengan kereta tidur . Beberapa kereta jarak jauh telah diberi nama tertentu . Kereta lokal (regional) adalah kereta jarak menengah yang menghubungkan kota-kota dengan daerah terpencil, daerah satelit, atau yang menyediakan layanan regional, lebih banyak pemberhentian, dan memiliki kecepatan lebih rendah. Kereta komuter melayani wilayah perkotaan, menyediakan layanan transportasi harian bagi warganya. Jaringan kereta api bandara menyediakan akses cepat dari pusat kota ke bandara .
Kereta api berkecepatan tinggi adalah kereta api antarkota khusus yang beroperasi pada kecepatan yang jauh lebih tinggi daripada kereta api konvensional, batasnya dianggap 200 hingga 320 kilometer per jam (120 hingga 200 mph) . Kereta api berkecepatan tinggi sebagian besar digunakan untuk layanan jarak jauh dan sebagian besar sistem berada di Eropa Barat dan Asia Timur. Rekor kecepatannya adalah 5.748 km/h (3.572 mph), dicatatkan oleh TGV Prancis yang dimodifikasi. Kereta levitasi magnetik seperti kereta api bandara Shanghai menggunakan magnet di bawah kereta yang menarik badan kereta ke atas terhadap rel magnet dan telah mencapai kecepatan operasi yang sedikit lebih tinggi daripada kereta api berkecepatan tinggi konvensional, meskipun pelayanannya hanya jarak pendek. Karena kecepatannya yang tinggi, trase untuk keerta berkecepatan tinggi cenderung memiliki kelandaian yang sangat kecil dan jari-jari lengkung yang lebih lebar daripada kereta api konvensional.
Energi kinetik tertingginya merupakan perbandingan daya kuda ke ton yang lebih tinggi (misalnya 20 tenaga kuda per ton pendek or 16 kilowatts per ton); ini memungkinkan kereta api untuk mempercepat dan mempertahankan kecepatan yang lebih tinggi saat melewati tanjakan curam saat momentum terjadi dan pulih saat melewati turunan (mengurangi pembuatan pematang, potongan bukit, maupun terowongan). Karena gaya lateral bekerja pada lengkung, lengkung dirancang dengan jari-jari setinggi mungkin. Semua fitur ini secara dramatis berbeda dari operasi angkutan barang, sehingga membuktikan bahwa jalur rel kecepatan tinggi sangat eksklusif dari nilai ekonomi.
Layanan kereta api semicepat adalah layanan kereta antarkota yang memiliki kecepatan lebih tinggi dari kereta antarkota konvensional tetapi kecepatannya tidak setinggi layanan kereta api kecepatan tinggi. Layanan ini diberikan setelah perbaikan infrastruktur kereta api konvensional untuk mendukung kereta yang dapat beroperasi dengan aman pada kecepatan yang lebih tinggi.
Angkutan cepat adalah sistem perkotaan yang dibangun di kota-kota besar dan memiliki kapasitas tertinggi dari semua sistem transportasi penumpang. Biasanya tidak sebidang dengan jalan raya dan biasanya dibangun di bawah tanah atau di atas jalur layang. Di jalan, trem yang lebih kecil dapat digunakan. Lintas rel terpadu adalah trem yang ditingkatkan, memiliki ruang milik jalannya sendiri, dan kadang-kadang sebagian petaknya berada di bawah tanah. Sistem monorel adalah sistem berkapasitas sedang yang dibangun di jalur layang. Penggerak orang adalah kereta tanpa masinis yang hanya melayani beberapa stasiun, atau hanya melayani antar-jemput. Karena kurangnya keseragaman sistem angkutan cepat, penyelarasan rute bervariasi, dengan beragam ruang milik jalan (tanah pribadi, pinggir jalan, median jalan) dan karakteristik geometris (tajam-tidaknya tikungan atau landai-curamnya tanjakan). Misalnya, kereta Chicago 'L' dirancang dengan kereta yang sangat pendek untuk mengakomodasi tikungan tajam di Loop. PATH di New Jersey memiliki kereta berukuran sedemikian rupa untuk mengakomodasi tikungan di terowongan trans-Hudson. BART San Francisco mengoperasikan kereta besar di rute yang dirancang dengan baik.
Kereta api barang mengangkut kargo menggunakan gerbong khusus untuk barang yang hendak diangkut. Kereta api barang sangat efisien, dengan nilai ekonomis dan efisiensi energi tinggi. Namun, penggunaannya dapat dikurangi dengan kurangnya fleksibilitas, semisal jika ada tambahan pengiriman lagi di kedua ujung perjalanan karena tidak ada jalur langsung ke titik bongkar-muat. Pihak berwenang sering mendorong penggunaan transportasi kereta api barang karena ketenarannya.
Kereta peti kemas terus dikembangkan di AS untuk pengangkutan massal. Peti kemas dapat dengan mudah dipindahkan ke mode lain, seperti kapal dan truk, menggunakan derek khusus. Ini telah menggantikan gerbong tertutup, yang muatan di dalamnya harus dibongkar-muat ke kereta secara manual. Peti kemas telah merevolusi industri logistik rantai pasokan, mengurangi biaya kapal secara signifikan. Di Eropa, gerbong tertutup pintu geser sebagian besar menggantikan gerbong tertutup pintu atas. Jenis gerbong lain termasuk gerbong pendingin, gerbong ternak, dan autorack untuk mengangkut kendaraan roda karet. Saat kereta api dikombinasikan dengan transportasi jalan, roadrailer akan memungkinkan kereta gandeng/kereta tempel untuk ditarik dengan kereta api, memungkinkan untuk transisi yang mudah antara jalan dan kereta api.
Muatan curah merupakan keuntungan bagi transportasi kereta api barang. Biaya angkutan yang rendah atau bahkan (mendekati) nol dikombinasi dengan efisiensi energi dan biaya operasi yang rendah membuat kereta api angkutan muatan curah lebih murah daripada dengan angkutan jalan. Muatan curah terutama batu bara, bijih, biji-bijian, dan cairan. Muatan curah diangkut dengan gerbong atap terbuka, gerbong curah, dan gerbong ketel.
Jalur kereta api dibangun di atas tanah yang dimiliki atau disewa oleh perusahaan kereta api. Agar kelandaian tidak terlalu curam, trase rel akan berbelok-belok di medan berbukit atau bergunung. Panjang rute dan kelandaian dapat dikurangi dengan membuat potongan, pematang, jembatan, dan terowongan – yang menyebabkan biaya modal yang diperlukan untuk mengembangkan rumija semakin besar, namun secara signifikan mengurangi biaya operasi dan memungkinkan kecepatan yang lebih tinggi pada jari-jari lengkung yang lebih panjang. Di daerah perkotaan yang padat, kereta api kadang-kadang diletakkan di terowongan bawah tanah untuk meminimalkan pengaruh terhadap properti yang ada.
Rel terdiri dari dua rel baja sejajar, dipasang tegak lurus terhadap bantalan kayu, beton, baja, atau plastik untuk mempertahankan lebar yang konsisten, atau lebar sepur. Lebar sepur biasanya dikategorikan sebagai sepur standar (digunakan pada sekitar 55% dari jalur kereta api yang ada di dunia), sepur lebar, dan sepur sempit . Selain lebar sepur, rel akan diletakkan agar sesuai dengan batas dimensi yang menentukan tinggi dan lebar maksimum untuk sarana kereta api, termasuk muatannya untuk memastikan agar pada saat melewati jembatan, terowongan, dan struktur lainnya, tetap aman.
Rel akan mengarahkan roda berpenampang kerucut dan berflens agar tetap berada di jalurnya serta menjaga sarana di lintasan tanpa dikemudikan dan membuat kereta api menjadi lebih panjang dari kendaraan jalan. Rel dan bantalan biasanya diletakkan di atas fondasi yang terbuat dari tanah yang dipadatkan, lalu ditaburi ballast untuk menyebar beban dari bantalan dan untuk mencegah rel bergelombang akibat penurunan tanah saat sering dilewati kereta.
Ballast juga berfungsi sebagai sarana drainase. Beberapa lintasan yang lebih modern di area khusus dipasang dengan pada fiksasi beton langsung, tanpa batu ballast. Rel dapat dibuat lebih dulu, atau dipasang di tempat. Dengan mengelas batang rel untuk membentuk rel panjang yang dilas terus menerus, keausan pada roda sarana disebabkan oleh celah kecil sambungan antarrel dapat dikurangi; ini juga membuat perjalanan menjadi lebih nyaman.
Pada lengkungan, rel dibuat miring. Hal ini mengurangi gaya sentrifugal yang dialami sarana dan membuat perjalanan lebih nyaman untuk ternak maupun penumpang. Nilai kemiringan yang diberikan bergantung pada kecepatan kereta api yang dikehendaki.
Wesel adalah alat untuk memindahkan kereta api ke bagian jalur yang berbeda. Ditempatkan mirip dengan rel normal, sebuah wesel biasanya terdiri dari rel sayap, rel paksa, dan dua lidah wesel. Lidah wesel dapat dipindahkan ke kiri atau kanan, di bawah kendali sistem persinyalan, untuk menentukan jalur mana yang akan dilalui kereta.
Penambat di bantalan kayu dapat semakin longgar dari waktu ke waktu, tetapi apabila bantalan kayu tersebut rusak atau membusuk dapat diganti dengan bantalan kayu baru atau bantalan beton. Bantalan beton, meski keras tetapi dapat retak atau pecah, dan juga dapat diganti secara individual. Jika rel keriting akibat penurunan tanah, rel bisa diangkat dengan mesin khusus dan tambahan ballast yang dipecok di bawah bantalan untuk meratakan rel.
Secara berkala, ballast harus dihilangkan dan diganti dengan ballast yang bersih untuk memastikan drainase yang memadai. Gorong-gorong dan saluran air lainnya harus tetap jernih agar air tidak terhalang oleh lintasan, menyebabkan tanah longsor. Bila railbed dibuat di sepanjang sungai, perlindungan tambahan biasanya ditempatkan untuk mencegah erosi arus sungai pada saat debit air tinggi. Jembatan membutuhkan pemeliharaan dan inspeksi terus-menerus, karena mengalami perubahan tekanan besar dalam waktu singkat ketika kereta api berat melintas.
Pemeriksaan peralatan kereta api sangat penting demi pergerakan kereta api yang aman. Banyak jenis detektor keretakan digunakan di jalur kereta api dunia. Perangkat ini menggunakan teknologi yang bervariasi dari peralatan tongkat sederhana dan beralih ke pemindaian inframerah dan laser, dan bahkan analisis audio ultrasonik . Penggunaannya telah menghindari banyak kecelakaan kereta api selama 70 tahun telah digunakan.
Persinyalan kereta api adalah sistem yang digunakan untuk mengontrol lalu lintas kereta api dengan aman untuk mencegah kereta bertabrakan. Diarahkan oleh rel tetap yang menghasilkan gesekan rendah, kereta api sangat rentan terhadap tabrakan karena beroperasi pada kecepatan yang tidak memungkinkannya untuk berhenti dengan cepat atau dalam jarak pandang masinis; kendaraan jalan, yang mengalami tingkat gesekan yang lebih tinggi antara ban karet dan permukaan jalan, memiliki jarak pengereman yang jauh lebih pendek. Sebagian besar bentuk kontrol kereta melibatkan petugas yang bertanggung jawab untuk setiap bagian dari jaringan kereta api ke awak sarana. Tidak semua metode membutuhkan penggunaan sinyal, dan ada beberapa sistem khusus untuk jalur kereta api tunggal.
Proses persinyalan secara tradisional dilakukan dalam rumah sinyal, sebuah bangunan kecil yang menampung berisi tuas handel yang digerakkan oleh petugas sinyal atau PPKA untuk mengoperasikan wesel dan peralatan sinyal. Sinyal ini ditempatkan pada berbagai interval di sepanjang rute kereta api dan mengendalikan bagian jalur tertentu. Perkembangan teknologi yang lebih baru telah menjadikan operasi persinyalan tradisional semakin ditinggalkan, dengan sentralisasi operasi persinyalan ke ruang kendali terpusat. Hal ini didukung meningkatnya penggunaan komputer, yang memungkinkan sebagian besar petak lintas dapat dipantau dari satu lokasi. Metode persinyalan blok membagi lintasan menjadi petak-petak yang dibatasi oleh sinyal-sinyal blok, aturan operasi, dan perangkat kontrol otomatis sehingga hanya satu kereta yang diizinkan berada di satu blok.
Elektrifikasi memberikan energi listrik ke kereta, sehingga mereka dapat beroperasi tanpa penggerak utama pada sarana. Ini memungkinkan biaya operasi yang lebih murah, tetapi membutuhkan investasi modal besar di sepanjang lini. Sistem jalur utama dan trem biasanya memiliki kabel listrik aliran atas, yang menggantung dari tiang di sepanjang jalur. Angkutan cepat yang dipisahkan dari jalan raya terkadang menggunakan rel ketiga di atas tanah.
Daya dapat dipasok dalam arus searah atau bolak-balik . Tegangan DC yang paling umum adalah 600 dan 750 V untuk sistem trem dan transit cepat, dan 1.500 dan 3.000 V untuk lintas utama. Dua sistem AC dominan adalah AC 15 kV dan AC 25 kV .
Stasiun kereta api berfungsi sebagai tempat penumpang dapat naik dan turun dari kereta. Stasiun barang adalah halaman yang secara eksklusif digunakan untuk bongkar-muat barang. Stasiun penumpang besar memiliki setidaknya satu gedung utama yang memberikan kenyamanan bagi penumpang, seperti membeli tiket dan makanan. Stasiun yang lebih kecil biasanya hanya memiliki peron . Stasiun-stasiun yang dibangun lebih dahulu terkadang dibangun dengan fasilitas gabungan antara penumpang dan barang.
Peron digunakan untuk memudahkan akses ke kereta, dan terhubung satu sama lain melalui underpass, jembatan penyeberangan orang, dan penyeberangan sebidang. Beberapa stasiun besar dibangun sebagai kuldesak, dengan kereta hanya beroperasi dari satu arah. Stasiun yang lebih kecil biasanya melayani daerah perumahan lokal, dan mungkin memiliki koneksi ke layanan bus pengumpan. Stasiun besar, khususnya stasiun pusat, berfungsi sebagai pusat transportasi umum utama untuk kota, dan menyediakan transfer antar layanan kereta api, dan ke layanan angkutan cepat, trem atau bus.
Sejak 1980-an, telah ada kecenderungan untuk memisahkan perusahaan kereta api, dengan membaginya menjadi penyelenggara prasarana perkeretaapian dan penyelenggara sarana perkeretaapian. Ini khususnya terjadi di Eropa serta pengaturan ini berlaku di seluruh negara anggota Uni Eropa. Ini memungkinkan akses terbuka oleh operator kereta ke bagian mana pun dari jaringan kereta api Uni Eropa. Di Inggris, jalur kereta api adalah milik negara, dengan badan yang dikendalikan publik (Network Rail) menjalankan, memelihara, dan mengembangkan jalur tersebut, sementara "badan penyelenggara perkeretaapian" telah menjalankan kereta sejak privatisasi pada 1990-an .
Di AS, hampir semua jaringan kereta api dan infrastruktur di luar Northeast Corridor dimiliki secara swasta oleh jalur pengangkutan barang. Jalur penumpang, terutama Amtrak, beroperasi sebagai pengontrak di jalur angkutan barang. Konsekuensinya, operasi harus disinkronkan dan dikoordinasikan secara erat antara angkutan barang dan angkutan penumpang, dengan kereta api penumpang juga dilayani oleh petugas-petugas kereta api angkutan barang. Karena sistem bersama ini, keduanya diatur oleh Federal Railroad Administration (FRA) dan dapat mengikuti praktik yang direkomendasikan AREMA untuk pemeliharaan jalur dan standar AAR untuk sarana.
Sumber pendapatan utama untuk perusahaan kereta api adalah dari pendapatan tiket (untuk angkutan penumpang) dan biaya pengiriman untuk angkutan barang. Diskon dan tiket bulanan terkadang tersedia untuk wisatawan yang rutin menggunakan jasa KA (misalnya tiket musiman dan pas kereta). Pendapatan angkutan barang dapat dijual per slot peti kemas atau untuk seluruh rangkaian. Terkadang, pengirim memiliki mobil dan hanya membayar biaya pengangkutan. Untuk transportasi penumpang, pendapatan iklan bisa signifikan.
Pemerintah dapat memilih untuk memberikan subsidi kepada kereta api, karena transportasi kereta api memiliki lebih sedikit eksternalitas daripada moda transportasi dominan lainnya. Jika perusahaan kereta api adalah milik negara, negara dapat dengan mudah memberikan subsidi langsung dengan imbalan peningkatan produksi. Jika operasi telah diprivatisasi, beberapa pilihan tersedia. Beberapa negara memiliki sistem yang infrastrukturnya dimiliki oleh lembaga pemerintah atau perusahaan – dengan akses terbuka ke jalur untuk perusahaan mana pun yang memenuhi persyaratan keamanan. Dalam kasus seperti itu, negara dapat memilih untuk menyediakan jalur secara gratis, atau dengan biaya yang tidak mencakup semua biaya (sebagai track access charge), analog dengan pemerintah yang menyediakan akses gratis ke jalan. Untuk operasi penumpang, subsidi dapat langsung dibayarkan kepada operator milik publik, atau melalui tender kewajiban layanan publik, dan kontrak waktu terbatas dapat diberikan kepada penawar terendah. Total subsidi kereta api UE berjumlah € 73 miliar pada tahun 2005.
Amtrak, layanan kereta api penumpang AS, dan Via Rail Kanada, adalah perusahaan kereta api swasta yang dikontrak oleh pemerintah. Ketika layanan penumpang swasta menurun karena persaingan dari mobil dan maskapai penerbangan, pemerintah menjadi pemegang saham Amtrak baik dengan biaya masuk tunai atau melepaskan aset lokomotif dan kereta api. Pemerintah menyubsidi Amtrak dengan memasok modal awal dan menebus kerugian pada akhir tahun fiskal .
Kereta bisa melaju dengan kecepatan sangat tinggi, tetapi berat, tidak bisa menyimpang dari lintasan dan membutuhkan jarak yang cukup jauh untuk berhenti. Kemungkinan kecelakaan termasuk anjlok (keluar dari rel), tabrakan dengan kereta lain, atau tabrakan dengan kendaraan lain, hewan, atau pejalan kaki di perlintasan sebidang. Bentuk kecelakaan ini merupakan sebagian besar dari bentuk kecelakaan kereta api terutama menurut jumlah korban jiwa. Langkah-langkah keselamatan yang paling penting untuk mencegah kecelakaan adalah aturan operasi yang ketat, misalnya persinyalan atau pembuatan perlintasan tidak sebidang. Peluit lokomotif, lonceng, atau klakson (suling) memperingatkan keberadaan kereta api, sementara sinyal di pinggir jalur menjaga jarak antara kereta.
Elemen penting dalam keamanan banyak jaringan antarkota berkecepatan tinggi seperti Shinkansen Jepang adalah fakta bahwa kereta itu hanya berjalan di jalur kereta api khusus, tanpa perlintasan sebidang. Hal ini secara efektif menghilangkan potensi tabrakan dengan mobil, kendaraan lain atau pejalan kaki, serta mengurangi kemungkinan tabrakan sesama kereta api lain dan membantu memastikan agar jadwal tepat waktu.
Seperti halnya aset infrastruktur, kereta api harus menjalani inspeksi dan pemeliharaan berkala untuk meminimalkan dampak gangguan infrastruktur yang dapat mengganggu operasi pendapatan angkutan dan layanan penumpang. Karena penumpang dianggap "kargo yang paling penting" dan biasanya beroperasi pada kecepatan yang lebih tinggi, kelandaian yang curam, dan kapasitas/frekuensi yang lebih tinggi, jalur mereka sangat penting. Praktik-praktik inspeksi dapat menggunakan kereta ukur jalan rel (KUJR) atau inspeksi jalan kaki oleh petugas pemeriksa jalan rel (PPJ). Pemeliharaan lengkung terutama untuk layanan transit mencakup pengukuran lebar sepur, pengencangan penambat, dan penggantian rel.
Ausnya rel adalah masalah umum sistem transit karena banyaknya jumlah gandar roda ringan yang mengakibatkan tekanan antara muka roda dengan rel. Karena pemeliharaan mungkin tumpang tindih dengan operasi, waktu pemeliharaan (jam malam, jam tidak sibuk, pengubahan jadwal atau rute kereta api) harus diikuti dengan cermat. Selain itu, keselamatan penumpang selama pekerjaan pemeliharaan (pemagaran, penyimpanan alat material, pemberitahuan pekerjaan lintasan, bahaya peralatan di tempat pemeliharaan) harus diperhatikan setiap saat. Kadang-kadang, masalah akses pemeliharaan dapat muncul karena terowongan, struktur yang ditinggikan, dan lanskap kota yang padat. Di sini, peralatan khusus atau versi yang lebih kecil dari perlengkapan perawatan konvensional digunakan.
Tidak seperti jalan raya atau jaringan jalan dengan kapasitas dibagi menurut arah perjalanannya sendiri-sendiri, kapasitas kereta api pada dasarnya dianggap sebagai satu sistem jaringan. Akibatnya, banyak komponen menjadi penyebab dan pengaruh dari gangguan sistem. Pemeliharaan menjadi tolok ukur dari kinerja rute (jenis layanan kereta, asal/tujuan, dampak musiman), kapasitas jalur (panjang, medan, jumlah lintas, jenis kontrol kereta), pergerakan kereta api (kecepatan maksimum, percepatan/perlambatan), dan jenis pelayanan penumpang-barang (sepur simpang, kapasitas terminal angkutan, perpindahan rute, dan jenis desain jalur).
Angkutan KA adalah alat transportasi darat mekanis yang hemat energi tetapi padat modal. Jalur KA menyediakan permukaan yang halus dan keras yang di atasnya roda kereta dapat menggelinding dengan tingkat gesekan yang relatif rendah. Menggerakkan kendaraan di atas dan/atau melalui media (darat, laut, atau udara) mengharuskan kendaraan itu mengatasi tahanan terhadap gerakannya yang disebabkan oleh gesekan. Tahanan total kendaraan darat (dalam pound atau Newton) adalah fungsi kuadrat dari kecepatan kendaraan:
dengan:
Pada dasarnya, tahanan terjadi antara antara titik kontak kendaraan dan permukaan jalan. Roda logam pada rel logam memiliki keuntungan signifikan dalam mengatasi tahanan dibandingkan dengan roda karet pada permukaan jalan apa pun (kereta api - 0,001 g pada 10 mil per jam (16 km/h) dan 0,024 g dengan kecepatan 60 mil per jam (97 km/h) ; truk - 0,009 g dengan kecepatan 10 mil per jam (16 km/h) dan 0,090 pada 60 mil per jam (97 km/h)). Dalam hal kapasitas angkut yang menggabungkan kecepatan dan ukuran yang diangkut dalam sehari:
Dalam hal rasio tenaga kuda ke berat, tongkang yang bergerak lambat membutuhkan 02 tenaga kuda per ton pendek (1,6 kW/t), jalur kereta api dan pipa membutuhkan 25 tenaga kuda per ton pendek (21 kW/t), dan truk membutuhkan 10 tenaga kuda per ton pendek (8,2 kW/t). Namun, pada kecepatan yang lebih tinggi, kereta api mengatasi tongkang dan terbukti paling ekonomis.
Sebagai contoh, gerbong modern dapat menampung hingga 113 ton (125 ton pendek) barang pada dua bogie beroda empat. Jalur ini mendistribusikan berat kereta secara merata, memungkinkan muatan tiap gandar dan roda yang jauh lebih besar daripada di angkutan jalan, sehingga mengurangi keausan pada jalur. Ini dapat menghemat energi dibandingkan dengan bentuk transportasi lain, seperti transportasi jalan, yang tergantung pada gesekan antara ban karet dan jalan. Kereta api memiliki luas permukaan depan yang kecil dalam kaitannya dengan beban yang dibawanya, yang mengurangi hambatan udara dan akhirnya penggunaan energi.
Selain itu, keberadaan rel yang mengarahkan roda memungkinkan kereta yang sangat panjang untuk ditarik oleh satu atau beberapa lokomotif dan digerakkan oleh satu masinis, bahkan saat melewati lengkungan, yang memungkinkan untuk skala ekonomis baik dalam tenaga kerja dan penggunaan energi; sebaliknya, dalam transportasi jalan, lebih dari dua gandengan menyebabkan kendaraan menjadi terpeleset saat melewati jalan licin dan membuat kendaraan tidak aman.
Misalkan hanya ada energi yang dihabiskan untuk menggerakkan alat transportasi, dan menggunakan contoh daerah perkotaan Lisboa, kereta listrik diketahui 20 kali lebih efisien daripada mobil untuk transportasi penumpang, jika kita hanya memisalkan energi yang dihabiskan per penumpang-jarak dengan perbandingan okupansi serupa. Misalkan pula, sebuah mobil dengan konsumsi sekitar 6 l/100 km (47 mpg‑imp; 39 mpg‑US) bahan bakar, rata-rata mobil di Eropa memiliki okupansi sekitar 1,2 penumpang per mobil (rasio okupansi sekitar 24%) dan satu liter bahan bakar berjumlah sekitar 88 kWh (320 MJ), setara dengan rata-rata 441 Wh (1.590 kJ) per penumpang-km. Ini dibandingkan dengan kereta api modern dengan okupansi penumpang rata-rata 20% dan konsumsi sekitar 85 kW⋅h/km (310 MJ/km; 137 kW⋅h/mi), sama dengan 215 Wh (770 kJ) per penumpang-km, 20 kali lebih kecil dari mobil.
Karena manfaat ini, transportasi kereta api adalah bentuk utama dari transportasi penumpang dan barang di banyak negara. Itu ada di mana-mana di Eropa, dengan jaringan terintegrasi yang mencakup hampir seluruh benua. Di India, Tiongkok, Korea Selatan, dan Jepang, jutaan orang menggunakan kereta api sebagai transportasi reguler. Di Amerika Utara, angkutan kereta api tersebar luas dan banyak digunakan, tetapi angkutan kereta api antarkota relatif jarang di luar Northeast Corridor, karena meningkatnya preferensi moda lain, khususnya mobil dan pesawat terbang. Afrika Selatan, Afrika wilayah utara, dan Argentina memiliki jaringan kereta api yang luas, tetapi beberapa kereta api di tempat lain di Afrika dan Amerika Selatan merupakan jalur yang terisolasi. Australia memiliki jaringan yang umumnya jarang sesuai dengan kepadatan populasinya tetapi memiliki beberapa daerah dengan jaringan yang signifikan, terutama di tenggara. Selain jalur lintas timur-barat yang sebelumnya ada di Australia, jalur dari utara ke selatan telah dibangun. Jalur kereta api tertinggi di dunia adalah jalur ke Lhasa, di Tibet, sebagian membentang di wilayah permafrost. Eropa Barat memiliki kepadatan kereta api tertinggi di dunia dan banyak kereta api swasta beroperasi melalui beberapa negara meskipun ada perbedaan teknis dan organisasi di setiap jaringan nasional.
Perkeretaapian merupakan pusat pembentukan modernitas dan gagasan kemajuan. Proses modernisasi pada abad ke-19 melibatkan transisi dari dunia yang berorientasi ruang ke dunia yang berorientasi waktu. Tepat waktu sangat penting, dan semua orang harus tahu apa waktu itu. Oleh karena itu, ada menara jam untuk stasiun kereta api, jam di tempat umum, jam tangan saku untuk pekerja kereta api dan untuk wisatawan. Kereta berangkat tepat waktu (mereka tidak pernah pergi lebih awal). Sebaliknya, pada era pramodern, penumpang kapal pergi ketika kapten kapal memiliki cukup penumpang. Di era pramodern, waktu setempat ditetapkan pada siang hari, ketika matahari berada pada puncaknya. Setiap tempat dari timur ke barat memiliki waktu yang berbeda dan itu berubah dengan diperkenalkannya zona waktu standar. Jadwal yang dicetak adalah kenyamanan bagi para pelancong, tetapi jadwal yang lebih rumit, yang disebut Gapeka, lebih penting untuk kru kereta, pekerja pemeliharaan, petugas stasiun, dan untuk kru perbaikan dan pemeliharaan, yang tahu kapan kereta akan datang. Sebagian besar trase adalah jalur tunggal, dengan sepur simpang, sepur belok, dan sinyal untuk memungkinkan kereta dengan prioritas lebih rendah untuk disilang. Jadwal memberi tahu semua orang apa yang harus dilakukan, ke mana harus, dan kapan tepatnya. Jika cuaca buruk mengganggu sistem, telegrafer mengirimkan telegram dinas langsung dan akan otomatis diperbarui di seluruh sistem. Kereta api sebagai organisasi bisnis yang menciptakan standar dan model untuk bisnis besar modern, jadwal kereta api disesuaikan dengan berbagai kegunaan, seperti jadwal untuk feri, bus, dan pesawat terbang, acara radio dan televisi, jadwal pelajaran dan kuliah, maupun jam kerja pabrik. Artinya, dunia modern diperintah oleh jam dan jadwal.
Menurut sejarawan Henry Adams, sistem jalur kereta api memerlukan:
Dampak dari semua itu dapat dipantau melalui lima aspek: pengangkutan, keuangan, manajemen, karier, dan tanggapan masyarakat.
Pertama, mereka menyediakan jaringan yang sangat efisien untuk pengiriman barang dan penumpang di pasar nasional yang besar. Hasilnya adalah dampak transformasi pada sebagian besar sektor ekonomi termasuk manufaktur, ritel dan grosir, pertanian, dan keuangan. Amerika Serikat sekarang memiliki pasar nasional terintegrasi setara Eropa, tanpa hambatan atau tarif internal, semua didukung oleh bahasa yang sama, dan sistem keuangan dan sistem hukum bersama..
Pendanaan kereta api memberikan dasar bagi perluasan sistem keuangan swasta (nonpemerintah). Konstruksi rel kereta api jauh lebih mahal daripada pabrik. Pada tahun 1860, total gabungan stok kereta api dan obligasi adalah $1,8 miliar; 1897 mencapai $ 0,6 miliar (dibandingkan dengan total utang nasional $1,2 miliar). Sekitar 10 persen dari dana tersebut berasal dari pemerintah, terutama dalam bentuk hibah tanah yang dapat diwujudkan ketika sejumlah lintasan dibuka. Sistem keuangan Amerika yang muncul didasarkan pada obligasi perusahaan KA. New York pada tahun 1860 adalah pasar keuangan yang dominan. Inggris berinvestasi besar-besaran di jalur kereta api di seluruh dunia, tetapi tidak ada tempat untuk investasi di Amerika Serikat; Totalnya mencapai sekitar $3 miliar pada tahun 1914. Pada tahun 1914–1917, mereka melikuidasi aset Amerika mereka untuk membayar biaya perang.
Manajemen kereta api memiliki sistem yang rumit yang dapat menangani hubungan kerja yang jauh lebih rumit daripada yang bisa diimpikan oleh pemilik pabrik setempat yang dapat berpatroli di setiap bagian pabriknya sendiri dalam hitungan jam. Insinyur sipil dapat duduk di kursi manajemen senior kereta api. Inovator Amerika terkemuka adalah Western Railroad Massachusetts dan Baltimore and Ohio Railroad pada 1840-an, Erie pada 1850-an dan Pennsylvania pada 1860-an.
Kereta api menciptakan jalur karier di sektor swasta baik untuk pekerja kerah biru (sektor buruh) maupun pekerja kerah putih (sektor manajemen). Menjadi pegawai KA menjadi karier seumur hidup bagi para pria muda; wanita hampir tidak pernah dipekerjakan. Jalur karier yang khas akan melihat seorang pria muda dipekerjakan pada usia 18 tahun sebagai pekerja bengkel, dipromosikan menjadi mekanik terampil pada usia 24 tahun, juru rem pada usia 25 tahun, kondektur barang pada usia 27 tahun, dan kondektur penumpang pada usia 57 tahun. Jalur karier kerah putih juga digambarkan. Laki-laki muda yang berpendidikan mulai bekerja dalam bidang klerikal atau statistik dan pindah ke agen atau birokrat di kantor pusat atau divisi. Di setiap tingkat mereka memiliki lebih banyak pengetahuan, pengalaman, dan SDM. Mereka sangat sulit untuk diganti, dan hampir dijamin mendapatkan pekerjaan tetap dan diberikan asuransi dan tunjangan kesehatan. Rekrutmen, PHK, dan gaji ditetapkan bukan oleh mandor, melainkan oleh administrator pusat, untuk meredam konflik favoritisme dan kepribadian. Semuanya dilakukan oleh aturan perusahaan, tempat seperangkat aturan yang semakin kompleks menentukan kepada semua orang apa yang harus dilakukan dalam setiap keadaan, dan persis berapa pangkat dan gaji mereka nantinya. Pada tahun 1880-an para pekerja kereta api karier sudah purnatugas, dan sistem pensiun diciptakan untuk mereka.
Perkeretaapian berkontribusi kepada kegairahan sosial dan daya saing ekonomi dengan mengangkut banyak pengguna jasa dan pekerja baik ke pusat kota maupun wilayah pinggiran kota. Hong Kong disebut-sebut sebagai "tulang punggung transportasi umum" dan mengembangkan sistem bus dan kendaraan darat selaras dengan perkembangan pekeretaapian. Kota besar Tiongkok, seperti Beijing, Shanghai, dan Guangzhou, mengakui perkeretaapian sebagai kerangka kerja serta bus sebagai badan utama dalam perkembangan transportasi metropolitan. Shinkansen Jepang dibangun untuk memenuhi permintaan lalu lintas penumpang di "jantung industri dan ekonomi Jepang" di sepanjang lintas Tokyo-Kobe.
Hampir di sepanjang abad ke-20, kereta api adalah elemen yang tak ternilai dari mobilisasi militer, memungkinkan transportasi yang cepat dan efisien dari sejumlah besar markas ke titik-titik kumpul mereka, dan tentara infanteri ke medan tempur. Namun, pada abad ke-21, transportasi kereta api - terbatas pada lokasi di benua yang sama, dan rentan terhadap serangan udara - sebagian besar telah digantikan oleh transportasi udara .
Kereta api menyalurkan pertumbuhan menuju aglomerasi kota yang padat dan di sepanjang arteri mereka, yang bertentangan dengan ekspansi jalan raya, yang mengikuti kebijakan transportasi AS mendorong pengembangan pinggiran kota, berkontribusi pada peningkatan jarak tempuh kendaraan, emisi karbon, efek rumah kaca, dan menipisnya kelestarian alam. Pengaturan ini menilai ulang tata ruang kota, pajak lokal, biaya pembangunan perumahan, dan promosi pembangunan superblok.
Pembangunan kereta api pertama dari kekaisaran Austro-Hungaria, dari Wina ke Praha, hadir pada 1837-1842 untuk janji-janji kemakmuran baru. Konstruksi ternyata lebih mahal daripada yang diharapkan, dan itu menghasilkan pendapatan lebih sedikit karena industri lokal tidak memiliki pasar nasional. Di kota ke kota kedatangan kereta api membuat marah penduduk setempat karena kebisingan, bau, dan polusi yang disebabkan oleh kereta api dan kerusakan rumah dan tanah di sekitarnya yang disebabkan oleh jelaga mesin dan bara api. Hampir semua perjalanan bersifat lokal; orang awam jarang membutuhkan kereta api penumpang.
Sebuah studi 2018 menemukan bahwa pembukaan Metro Beijing menyebabkan pengurangan "sebagian besar konsentrasi polutan udara (PM2.5, PM10, SO2, NO2, dan CO) tetapi memiliki sedikit pengaruh pada pencemaran ozon."
Ekonom pembangunan Eropa berpendapat bahwa keberadaan infrastruktur kereta api modern merupakan indikator signifikan dari kemajuan ekonomi suatu negara: perspektif ini diilustrasikan terutama melalui Basic Rail Transportation Infrastructure Index (dikenal sebagai Indeks BRTI).