Tous les moyens de transport reposent sur un phénomène physique : pesanteur et poussée d'Archimède pour la navigation, portance de l'air pour le vol aérien, frottement entre deux corps pour les transports terrestres. Les pas de l'homme et de l'animal sur le sol en sont une application. Transporter sur terre consiste à engendrer un mouvement suivant une trajectoire voulue, grâce à l'effort exercé par les membres inférieurs, équilibré par le frottement des pieds sur le sol.
La capacité de l'être humain et celle des animaux à porter une charge est limitée. L'invention de la roue a permis de constituer un véhicule capable d'accroître considérablement cette charge, grâce au faible frottement des roues sur le sol. C'est le développement des transports terrestres. Ce contact roue-sol ne garantit cependant pas la trajectoire désirée : si l'effort de frottement devient trop faible, les efforts transversaux, dus à la pesanteur ou à la force centrifuge, peuvent faire dévier de la trajectoire : c'est le dérapage. En outre, si la charge verticale sur la roue est trop importante en regard à la réaction du sol, la roue s'enfonce, c'est l'enlisement. Pallier ce risque remonte à l'Antiquité : les rues sont creusées « d'ornières » entre les dalles de pierres, par lesquelles les roues sont guidées. Dès le Moyen Âge et surtout au XVIe siècle, sont développées des « pistes de roulement et de guidage » permettant la répartition sur le sol des charges roulantes et la matérialisation de leur trajectoire. Les premiers rails métalliques sont introduits en Angleterre par Richard Reynolds en 1763. Les roues sont dotées d'un épaulement, appelé « boudin » assurant le guidage. Ainsi est-il possible d'atteler plusieurs véhicules les uns aux autres, constituant un « train » (du verbe traîner) ; chacun d'eux est guidé de façon autonome. Les charges remorquées deviennent alors très importantes : des trains minéraliers de plus de 20 000 tonnes circulent dans le monde.
Cette technologie est la base du « système ferroviaire ». Nous en analysons les caractéristiques physiques : géométrie du roulement et du guidage, nature du contact roue-rail, efforts en présence d' adhérence : condition d'exercice de la traction et du freinage.
Dans certains cas particuliers de transport urbain, la roue est équipée de pneumatique. Leurs caractéristiques de frottement et de guidage sont analysées en seconde partie.
Les roues sont intégrées dans un ensemble constituant le matériel roulant. L'architecture de ces organes de roulement permettant l'exercice des efforts en traction et en freinage est étudiée en troisième partie.
Certaines conditions de circulation, dues au profil de la ligne empruntée, ne permettent plus l'exercice des efforts de frottement résultant du simple contact roue-rail. D'autres solutions sont alors mises en œuvre, telles que la crémaillère ou le funiculaire. C'est l'objet de la quatrième partie.
L'ensemble des composantes du système ferroviaire repose sur le roulement. En termes de performances, de confort ou de sécurité, les organes de roulement font l'objet d'une maintenance très élaborée, étudiée en cinquième partie.
Les incidences environnementales telles que le bruit, le rejet de matériaux et l'énergie absorbée sont analysées en sixième partie.
