À la lettre, ce n'est qu'un chemin, un chemin en acier, imaginé à l'origine pour deux raisons essentielles : permettre le guidage et, surtout, réduire la résistance au roulement, donc l'effort de traction nécessaire. Ces deux caractéristiques fondamentales sont encore celles du chemin de fer d'aujourd'hui. En outre, le guidage est un facteur de sécurité.

Mais l'expression « chemin de fer » évoque tout autre chose qu'un certain type de voie. Sous cette dénomination, l'usage a fait entrer, en même temps que les rails et les traverses, tout ce qui roule : les locomotives, les wagons..., et aussi tout ce qui concourt à l'écoulement du trafic : les gares de voyageurs ou de marchandises, la signalisation... Ce qui n'était, à l'origine, qu'un nouveau mode de roulement est devenu, en se développant, tout un système de transport.

Cet ensemble très complexe de moyens s'est trouvé un temps rassemblé, partout où il est apparu, dans les mains d'une seule entreprise. Alors que les autres chemins continentaux, la route, la voie d'eau, sont offerts à tous ceux qui veulent les emprunter, le chemin de fer n'a accepté sur ses voies que ses propres véhicules, conduits par son propre personnel. De cette centralisation a résulté une notion importante : le chemin de fer peut pousser très loin l'organisation. Cette organisation est aujourd'hui complètement remise en cause, tout particulièrement en Europe, où s'est imposé un système dans lequel l'infrastructure et son exploitation sont dorénavant complètement dissociées des opérations commerciales et de la conduite et de la gestion du matériel roulant (cf. transports).

À l'origine, il y a le roulement fer sur fer devenu acier sur acier, inventé peu de temps après que la machine à vapeur eut apporté une véritable révolution dans la technique du transport. Le guidage et l'attelage ont permis de faire des convois, dont la charge et la vitesse augmentaient avec les perfectionnements de la locomotive à vapeur. Puis, celle-ci a progressivement laissé la place aux engins à moteurs électriques ou Diesel, dont les performances se sont sans cesse améliorées. Mais, en même temps, les autres modes de transport terrestres ou aériens et, surtout, les transports individuels se sont considérablement développés. Si le chemin de fer se trouve aujourd'hui sévèrement concurrencé, il conserve cependant de solides avantages qui se mesurent en termes d'économie d'énergie, de sécurité, de préservation de l'environnement, et maintenant de performances sans égales pour le transport des voyageurs à moyenne distance, du fait du succès des systèmes à grande vitesse.

Deux cents ans avant la locomotive, le rail était né. Dès le début du xviie siècle, les mines de Newcastle utilisaient des chariots dont les roues, munies d'un rebord, roulaient sur des longrines de bois, fixées sur des traverses. Ces longrines furent ensuite protégées contre l'usure par des plaques de métal. C'était une préfiguration du rail.

La locomotive remonte aux premières années du xixe siècle. En 1671, Denis Papin avait découvert la force motrice de la vapeur d'eau. C'est en Angleterre que naquit l'idée de combiner le tracteur à vapeur et le roulement sur des rails (1804, Richard Trevithick). On doutait que la simple adhérence d'une roue métallique sur un rail lisse fût suffisante pour remorquer des charges importantes sans patiner sur place. La preuve expérimentale de l'adhérence fut apportée dès 1814 par la Puffing Billy de William Hadley, qui pesait 8 tonnes et pouvait remorquer 50 tonnes à 8 kilomètres par heure.

George et Robert Stephenson fondent, en 1823, la première usine de construction de locomotives. En 1825, le premier train de voyageurs circule.

Par rapport à la conception très simple d'origine des locomotives à vapeur du début du xixe siècle, les caractéristiques fondamentales n'ont guère évolué. Le seul système qui ait réellement fait ses preuves est resté celui de l'origine, à savoir l'utilisation de la vapeur dans un moteur à pistons avec échappement direct dans l'atmosphère.

Mais de notables perfectionnements ont été apportés : élévation de la pression dans les chaudières, surchauffe de la vapeur, mise en œuvre de systèmes de distribution perfectionnés, circuits de vapeur à large section, amélioration de l'échappement, dispositions mécaniques améliorées (bogies porteurs à l'avant, quelquefois roulements de boîtes d'essieux à rouleaux). Les dernières locomotives construites ont ainsi pu atteindre des performances honorables, tout particulièrement celles qui, en France, ont été conçues ou modifiées par André Chapelon vers 1935.

Une mention spéciale doit être faite du « compoundage », consistant à mettre en œuvre la vapeur dans deux étages successifs de cylindres (haute et basse pression), spécificité très française, permettant certes une amélioration du rendement, mais au prix d'une plus grande complexité des machines. Ce choix résultait du souci de tirer le meilleur parti d'un charbon qui devait être majoritairement importé, les charbons français n'étant généralement pas de qualité suffisante pour les chaudières de locomotives.

La titularisation des machines était alors de règle (conduite par une équipe dédiée mécanicien/chauffeur), solution qui n'optimisait pas leur utilisation mais garantissait leur maintien en excellent état. La « banalisation » des équipes n'est intervenue que sur les locomotives 141 R fournies à la Libération par l'industrie américaine, très simples et robustes car directement dérivées (aux dimensions près) de locomotives américaines contemporaines.

La traction à vapeur disparaît pour des raisons strictement économiques : son très faible rendement énergétique (5 p. 100 environ pour l'ensemble de la machine), son coût d'immobilisation très élevé, en raison notamment de la faible disponibilité, ses contraintes de ravitaillement en eau en cours de route, les nécessités de nettoyage du feu et de graissage, qui limitent les parcours journaliers à quelque 200 kilomètres, et surtout les lourdes dépenses d'entretien de la chaudière (lavage, détartrage, remises en état, épreuves réglementaires décennales...) et du mécanisme.

Sur le plan financier, le remplacement de la vapeur par la traction électrique ou Diesel s'est révélé, pour le chemin de fer, un des investissements le plus largement et le plus sûrement rentables. Au surplus, cette traction moderne a apporté une amélioration des performances déjà appréciable pour le Diesel, considérable pour l'électricité. En France, la dernière machine à vapeur a été « rayée des inventaires » en 1974.

Elle apparaît dès la fin du xixe siècle, bien modestement au début. Elle se répand assez rapidement dans les réseaux métropolitains pour des raisons évidentes (circulation en tunnel). La conception des systèmes est marquée, à l'origine, par les caractéristiques des moteurs de traction utilisables : les plus favorables sont celles des moteurs à collecteur à enroulements inducteur et induit en série, qui peuvent être alimentés en courant continu, mais aussi, moyennant des précautions, en courant alternatif à fréquence basse.

D'où les deux grandes « écoles » d'électrification qui ont concurremment pris de l'extension dans le monde jusqu'à la Seconde Guerre mondiale (cf. chap. 3, Les infrastructures). Les expérimentations qui sont intervenues en Allemagne juste avant.

Elle est constituée par les rails, dont l'écartement est maintenu par des traverses, sur lesquels ils sont fixés par des systèmes d'attache maintenant le plus souvent élastiques, de faible coût d'entretien et de mise en œuvre rapide. L'écartement le plus répandu, d'origine britannique et dit « standard », est de 1 435 mm. Les réseaux métriques sont répandus, en raison de leur plus faible coût d'établissement, en Asie et en Afrique. Certains réseaux ont opté pour des voies larges (Espagne, Irlande, Argentine : 1 600 et 1 660 mm ; Russie et autres pays de l'ex-U.R.S.S., Finlande : 1 524 mm).

Les rails en coupons courts reliés par des éclisses boulonnées (générateurs du « tac tac, tac tac » bien connu) et posés sur des traverses en bois ont maintenant très généralement laissé la place aux longs rails soudés (L.R.S.), et l'emploi des traverses en béton s'est très fortement accru. Les longs rails apportent un progrès remarquable, car les joints de dilatation constituaient une zone naturellement fragile, et leur élimination – sauf aux jonctions avec les ouvrages d'art et aux discontinuités de la plate-forme – concourt à baisser significativement le coût d'entretien, à améliorer le confort et à réduire le bruit dans l'environnement.

Les voies des lignes à grande vitesse ne diffèrent pas profondément des voies classiques, mais présentent quelques particularités :

•    recours, malgré la faible charge par essieu du matériel roulant, à du rail de forte section, à grand moment d'inertie et donc mieux susceptible de supporter des efforts dynamiques importants ;
•    entraxe des voies significativement supérieur, afin d'éviter des phénomènes aérodynamiques perturbateurs lors des croisements (projections de ballast, bris de vitres latérales) ;
•    utilisation d'aiguilles à cœur mobile, afin d'éviter toute lacune de guidage des essieux au franchissement des appareils ;
•    qualité de la pose rigoureuse, tant en nivellement (géométrie de la voie dans le sens vertical) qu'en dressage (géométrie dans le sens transversal).

Enfin, si la pose de la voie sur pierres concassées (ballast) reste très répandue, la pose sur dalle de béton est privilégiée, notamment pour la grande vitesse, dans certains pays tels que l'Allemagne – et en France dans les tunnels récents – ; si elle nécessite une grande rigueur lors de la pose, elle est réputée en revanche demander moins d'entretien, mais l'expérience est actuellement insuffisante pour vérifier cette assertion.

Dans les courbes, la voie est posée en « dévers », le rail extérieur étant relevé d'une certaine hauteur qui doit nécessairement constituer un compromis : le dévers ne peut en effet excéder une valeur qui entraînerait le renversement d'un train arrêté. Pour les trains les plus rapides, il y a donc nécessairement insuffisance de dévers. C'est l'inconfort pour les voyageurs debout qui conduit très généralement à fixer la valeur de la vitesse limite dans les courbes. La S.N.C.F. admet une valeur élevée de l'insuffisance de dévers, très supérieure à celle qui est adoptée par les autres réseaux, et les trains français roulent donc plus vite en courbe que les autres. C'est pourquoi la pendulation, qui permet de compenser au moins partiellement l'insuffisance de dévers, ne permet pas en France un relèvement de vitesse aussi important que dans d'autres pays et y a donc moins d'intérêt.

Les appareils de voie principale sont constitués d'aiguilles, qui permettent les bifurcations. Les voies modernes comportent des appareils « enroulés », dont les deux voies sont en courbe. La tendance est maintenant de les placer sur un « plancher » en béton et non plus sur des traverses en bois, comme la pleine voie,[...]

En France, à la suite des essais à grande vitesse des Landes de 1955 (record du monde à 331 km/h sur infrastructure classique et avec des locomotives proches d'engins de série existants), le Capitole (Paris-Toulouse) bénéficiait dès 1967 d'un relèvement de vitesse à 200 km/h plutôt symbolique compte tenu de la faible longueur du parcours concerné. Le bénéfice de cette vitesse fut ultérieurement étendu à certains tronçons de la ligne Paris-Bordeaux et sur Lyon-Marseille.

Mais la grande vitesse sur infrastructure spécialisée trouve son origine dans la mise en service au Japon du Shinkansen, qui révolutionna complètement le transport de voyageurs dans ce pays dès la création, en 1964, de dessertes à 210 km/h (initialement) à très haute fréquence entre T̄okȳo et ̄Osaka (cf. encadré, Vitesse ferroviaire). Cette réalisation a beaucoup inspiré les études de la S.N.C.F. Les études portèrent en priorité sur une ligne Paris-Lyon, en voie de saturation, et c'est bien la rentabilité potentielle qui a sous-tendu le projet.

Les similitudes sont en effet nombreuses : infrastructure spécialisée, rames automotrices puissantes mais les plus légères possibles pour permettre les performances nécessaires sur un profil aussi rectiligne que possible (mais qui présente en contrepartie des rampes et pentes fortes), mais aussi pour réduire les sollicitations sur l'infrastructure et ainsi les coûts de maintenance.

Quelques différences significatives toutefois : la compatibilité avec le réseau classique, qui n'existe pas sur le Shinkansen (le réseau Shinkansen est à écartement standard, le réseau classique est à voie métrique), et permettait de faire bénéficier de la grande vitesse des dessertes s'étendant très au delà de Paris-Lyon ; la réservation obligatoire, prévue par la S.N.C.F. pour pouvoir gérer la mise en place de trains supplémentaires et les forcements en période de pointe, qui n'est pas nécessaire au Japon compte tenu des fréquences très élevées.

Enfin, dans le projet initial Paris–Lyon, la ligne ne devait pas être électrifiée, afin de réduire le coût de premier établissement : la motorisation des rames devait être assurée par des turbines à gaz, dont la puissance massique très élevée permettait de respecter les exigences de faible masse et de performances élevées. Les Japonais avaient quant à eux fait dès le début le choix de la traction électrique.

Une rame prototype (T.G.V. 001) à turbines à gaz entraînant une transmission électrique, qui permettait, vu les craintes à l'époque concernant l'adhérence, de répartir l'effort de traction sur un grand nombre d'essieux, fut mise en service fin 1971. Composée de deux motrices et trois remorques entièrement articulées (sauf aux extrémités, les bogies sont communs à deux caisses) et de gabarit volontairement réduit pour limiter la résistance à l'avancement, cette rame a permis de valider la plupart des principes qu'on retrouvera ensuite sur les T.G.V. commerciaux.

Dans le même temps, le premier choc pétrolier (1973-1974) remettait en cause le choix de la traction autonome, et les études étaient réorientées vers une ligne électrifiée en 25 kV et 50 Hz. Des essais ont alors été effectués pour la mise au point d'un pantographe de captage de courant approprié. D'autres dispositions innovantes pour les bogies firent l'objet d'essais sur une automotrice.

Pour l'exploitation de la ligne Paris-Lyon, décidée en 1974, et de ses prolongements, 117 rames, de 384 places à l'origine, ont été livrées entre 1978 et 1985. Quelques-unes sont aptes à circuler en Suisse (dessertes Paris-Lausanne). Initialement limitée à 260 km/h, leur vitesse a été portée à 270 km/h.

Dans les années 1970, des recherches ont été menées de façon assez intensive en Allemagne et au Japon, pour concevoir des systèmes de transport dans lesquels le roulement sur des rails serait remplacé par une « lévitation » du véhicule placé dans une piste « active ». Celle-ci comporte en effet des bobinages à même de générer les efforts électromagnétiques appropriés pour tenir le véhicule en suspension, sans contact avec la piste. Il convient alors de superposer au système de sustentation un système de propulsion, qui fait appel à la motorisation linéaire.

Tant en Allemagne qu'au Japon, les recherches ont donné lieu à de nombreux prototypes, et la Chine a même fait réaliser par l'industrie allemande une ligne exploitée commercialement reliant Shanghai à son aéroport, mise en service en 2004. Le « maglev » (de l'anglais magnetic levitation) japonais détient le record du monde de vitesse en transport guidé à 581 km/h.

Sans vouloir nier l'intérêt scientifique de ces réalisations, on ne peut que s'interroger sur leurs débouchés réels comme système de transport. En effet :

•    du point de vue énergétique, la sustentation a une consommation supérieure à celle qu'exige la résistance au roulement d'un véhicule ferroviaire traditionnel (qui est faible : c'est la raison d'être d'origine du système ferroviaire !) ;
•    vis-à-vis de la composante aérodynamique de la résistance à l'avancement, le bénéfice n'apparaît pas vraiment, car aux vitesses pratiquées (plus de 300 km/h), cette composante, qui est largement prépondérante, est de niveau comparable pour les véhicules traditionnels et à sustentation magnétique ;

•    il en résulte qu'au niveau du bruit émis dans l'environnement, il n'y a pas non plus d'amélioration sensible, la composante aérodynamique étant prépondérante ;
•    l'absence de roues ne conduit pas, du moins avec les technologies essayées jusqu'à maintenant, à une amélioration spectaculaire du confort de marche ;

•    la complexité des installations nécessaires (aimants supraconducteurs, dispositifs d'alimentation électrique du véhicule, etc.) conduit à des coûts d'investissement significativement plus élevés qu'en ferroviaire traditionnel ;
•    la sécurité du système (interruption soudaine de la sustentation, par exemple) impose des dispositifs complémentaires complexes (qui font réapparaître des roues !) ;
•    les pistes (en U ou en T renversé) sont des structures lourdes très intrusives dans le paysage, et qu'on voit mal pénétrer au cœur des grandes villes, au moins en Europe ;

•    les bifurcations sont d'une rare complexité ;
•    le véhicule est prisonnier de son infrastructure, sans aucune possibilité d'interopérabilité avec le ferroviaire traditionnel ;
•    les effets biologiques des champs magnétiques intenses sur les voyageurs et les riverains sont peu connus, mais pourraient s'avérer nocifs.