Voie ferrée : composants, construction et maintenance

L'invention de la roue est datée 3 500 ans avant notre ère. Son roulement sur le sol, si elle est une avancée considérable de l'activité humaine, présente néanmoins une contrainte importante du fait de sa très faible surface de contact. Les Romains pallièrent cet inconvénient en construisant des voies en matériaux durs et même, en aménageant des ornières pour éviter le dérapage transversal. Deux notions fondamentales prennent ainsi corps : le support réparti de la charge et son guidage.

Le XVI ^e  siècle apporte une solution à cette problématique : deux roues associées, formant un essieu, roulent sur une voie constituée par deux profils parallèles en bois ; la charge est ainsi répartie sur le sol pour éviter l'enlisement. Les deux profils assurent le guidage de l'essieu. La plus ancienne reproduction de voie date de 1550 montrant un wagonnet poussé par un mineur dans la mine alsacienne de Leberthal.

En 1738, dans les mines de Whitehaven en Grande-Bretagne, la voie se perfectionne, les profils de bois sont recouverts de plaques métalliques. Reynolds introduit les premiers « rails » entièrement en fonte en 1763. En 1804, Trevithick construit la première « locomotive » sur voie ferrée, appliquant la théorie de l'énergie de la vapeur de Denis Papin (1671). L'énergie humaine et animale est alors remplacée par celle de la vapeur et permet ainsi la traction de lourdes charges à des vitesses bien supérieures.

Le chemin de fer devient ainsi le premier système de transport terrestre à grande capacité. La technologie de la voie, assurant la répartition de la charge et son guidage, autorise la constitution de véritables convois de nombreux véhicules, attelés les uns aux autres et appelés « trains ».

Du système ferroviaire, l'infrastructure en est la composante fondamentale au sens propre du terme, comme l'eau pour le transport maritime ou l'air pour le transport aérien. La voie ferrée en est l'acteur principal. Elle autorise l'accroissement permanent des capacités de transport qui passent de 100 à 3 000 tonnes ; la charge sur chaque essieu est portée à 20, voire 30 tonnes ; en 1955, la vitesse de 331 km/h sur rail est atteinte en France. Mais, elle en subit également toutes les contraintes : relief et climat, notamment. Cette infrastructure reste cependant l'interface essentielle entre sol et matériel roulant dont elle doit garantir les performances et la sécurité de circulation.

Nous analysons les fonctions principales et les fonctions de contrainte de la voie ferrée pour décrire chacun des composants aptes à satisfaire le résultat. Sont notées les évolutions majeures de ces dernières décennies pour justifier les résultats actuelles de l'exploitation...