Les trains constituent un système complexe de locomotives, de wagons, de voies, d'aiguillages, de signaux et d'équipements de contrôle qui transportent des personnes et des marchandises à travers le monde. Depuis les premières locomotives à vapeur du XVIIIe siècle jusqu'aux maglevs à grande vitesse d'aujourd'hui, la technologie ferroviaire a évolué pour offrir un transport efficace, sûr et respectueux de l'environnement.
Les premiers rails en bois sont apparus en Allemagne vers 1550, mais la véritable percée a eu lieu avec la locomotive à vapeur anglaise de 1797. Le chemin de fer Stockton &Darlington est devenu la première ligne publique à transporter des passagers et du fret :six wagons à charbon et jusqu'à 450 passagers en moins d'une heure sur 9 miles.
Aux États-Unis, le chemin de fer Baltimore &Ohio a commencé ses activités en 1827. En 1860, les ouvriers américains avaient posé plus de 30 000 milles (48 280 km) de voies, un chiffre qui dépassait le total mondial à cette époque. La guerre civile a vu les chemins de fer devenir une bouée de sauvetage stratégique pour les armées de l'Union et de la Confédération.
Après la guerre, la première ligne transcontinentale fut achevée en 1869, déclenchant une expansion rapide vers l'ouest. Au début du 20e siècle, les chemins de fer américains exploitaient 254 000 milles (408 773 km). La vapeur a cédé la place au diesel au milieu du siècle, mais un déclin a suivi l’essor des autoroutes et de la réglementation fédérale. Aujourd'hui, les trains diesel et biodiesel pourraient redevenir courants dans un contexte de volatilité des prix de l'énergie.
Les locomotives modernes convertissent l'énergie chimique en mouvement cinétique. Les moteurs à vapeur ont dominé pendant un siècle avant que les moteurs diesel, souvent équipés de générateurs électriques, ne prennent le relais. De nombreux trains long-courriers utilisent plusieurs locomotives pour la distribution d'énergie.
Les locomotives électriques tirent leur énergie d'un troisième rail ou d'une ligne aérienne, à l'aide de transformateurs et de moteurs de traction. Ils sont courants dans les métros et les trains de banlieue.
Le contrôle se fait via un accélérateur (vitesse), une marche arrière et des freins. Les freins pneumatiques – de l'air à haute pression agissant sur les plaquettes de frein – constituent le système principal, avec des freins à main mécaniques comme système de sécurité de secours. Des coupleurs relient les voitures et le train de roulement de chaque voiture abrite les roues et la suspension.
Les wagons typiques comprennent les wagons couverts, les wagons à minerai, les wagons-citernes, les wagons plats, les wagons-remorques, les wagons porte-conteneurs et les voitures particulières, certains avec des fenêtres panoramiques ou des compartiments-couchettes.
Les voies sont constituées de deux rails en acier parallèles fixés à un écartement fixe. L'écartement standard est de 4 pieds 8½ pouces (1 435 mm). Les rails sont fixés à des traverses (traverses) en bois ou en béton, qui reposent sur du ballast, des pierres mobiles qui répartissent le poids.
Les rails modernes sont généralement soudés pour une conduite en douceur, bien que certaines sections utilisent des éclisses. Les voies peuvent être droites, courbes ou inclinées pour faciliter les déplacements à grande vitesse. Les aiguillages déplacent les voitures entre les voies et les systèmes de signalisation (à la fois visuels et électroniques) gèrent la circulation comme des feux de circulation sur les routes.
Les chemins de fer de fret américains sont les plus importants au monde en termes de volume, de revenus et de kilométrage des voies. Les chemins de fer de classe I, six transporteurs majeurs, transportent plus de 67 % du fret national sur 5 150 à 51 499 km de voies.
Catégories de fret :charbon (44 % du tonnage, 21 % des revenus), produits chimiques, produits agricoles, minéraux non métalliques et expéditions mixtes. En 2007, les chemins de fer de classe I ont transporté 1,9 milliard de tonnes (1,7 milliard de tonnes métriques) et gagné environ 53 milliards de dollars, livrant 1,7 billion de tonnes-milles.
Les chemins de fer possèdent des voies ferrées, mais la plupart des wagons de marchandises appartiennent à des expéditeurs ou à des sociétés de crédit-bail. Aux États-Unis, l'industrie est privée et ne bénéficie d'aucune subvention gouvernementale, alors que de nombreux chemins de fer européens appartiennent à l'État et se concentrent principalement sur le service aux passagers.
Amtrak, créée en 1970, exploite 70 % de ses itinéraires sur des voies de fret et dessert plus de 500 destinations dans 46 États. En 2007, il a transporté 25,8 millions de passagers mais a enregistré un déficit de 1 milliard de dollars.
Le réseau européen appartient en grande partie à l’État et offre des services à haut débit qui concurrencent les compagnies aériennes. Les services clés incluent l'Eurostar (Royaume-Uni‑France‑Belgique), le TGV (France) et la ligne patrimoniale Orient Express.
D'autres réseaux de passagers majeurs existent en Russie, en Chine, au Japon, en Corée et en Australie, bien que la plupart des liaisons continentales soient encore limitées.
L’avenir du transport ferroviaire dépend du prix du carburant, de la politique gouvernementale et de la demande du public pour des déplacements rapides et économiques. Le train à grande vitesse, nécessitant des lignes dédiées, pourrait gagner du terrain à mesure que les prix du pétrole augmentent. Les trains Maglev promettent des vitesses encore plus élevées mais sont confrontés à des coûts de construction et de maintenance élevés.
Les investissements dans les infrastructures, qu'elles soient publiques ou privées, seront cruciaux pour étendre la couverture, améliorer les vitesses et intégrer les nouvelles technologies.
Les locomotives convertissent le carburant en énergie cinétique; les opérateurs contrôlent la vitesse avec un accélérateur, une marche arrière et des freins.
Les voies sont constituées de rails parallèles à écartement fixe, soutenus par des traverses et du ballast.
Les locomotives électriques modernes utilisent des moteurs de traction sans engrenages; les moteurs diesel alimentent les générateurs qui alimentent ces moteurs.
Jauge standard : 4 pieds 8½ pouces (1 435 mm).
Les trains électriques tirent leur énergie d'un troisième rail ou d'une ligne aérienne, qui alimente les moteurs de traction pour déplacer les roues.