I treni sono un sistema complesso di locomotive, vagoni, binari, scambi, segnali e apparecchiature di controllo che spostano persone e merci in tutto il mondo. Dai primi motori a vapore del XVIII secolo ai maglev ad alta velocità di oggi, la tecnologia ferroviaria si è evoluta per offrire un trasporto efficiente, sicuro e rispettoso dell'ambiente.
Le prime rotaie in legno apparvero in Germania intorno al 1550, ma la vera svolta arrivò con la locomotiva a vapore inglese del 1797. La Stockton &Darlington Railway è diventata la prima linea pubblica a trasportare passeggeri e merci:sei vagoni a carbone e fino a 450 passeggeri in meno di un'ora su 9 miglia.
Negli Stati Uniti, la Baltimore &Ohio Railroad iniziò a funzionare nel 1827. Nel 1860, i lavoratori americani avevano posato oltre 30.000 miglia (48.280 km) di binari, una cifra che superava il totale mondiale di quel tempo. La guerra civile vide le ferrovie diventare un'ancora di salvezza strategica sia per gli eserciti dell'Unione che per quelli confederati.
Dopo la guerra, la prima linea transcontinentale terminò nel 1869, innescando una rapida espansione verso ovest. All'inizio del XX secolo, le ferrovie statunitensi gestivano 254.000 miglia (408.773 km). Il vapore lasciò il posto al diesel verso la metà del secolo, ma un declino seguì l’ascesa delle autostrade e della regolamentazione federale. Oggi, i treni diesel e biodiesel potrebbero tornare ad essere diffusi nel contesto della volatilità dei prezzi dell'energia.
Le moderne locomotive convertono l'energia chimica in movimento cinetico. I motori a vapore hanno dominato per un secolo prima che prendessero il sopravvento i motori diesel, spesso dotati di generatori elettrici. Molti treni a lungo raggio utilizzano più locomotive per la distribuzione dell'energia.
Le locomotive elettriche traggono energia da una terza rotaia o linea aerea, utilizzando trasformatori e motori di trazione. Sono comuni sulle metropolitane e sui treni dei pendolari.
Il controllo avviene tramite acceleratore (velocità), retromarcia e freni. I freni ad aria compressa, ovvero aria ad alta pressione che agisce sulle pastiglie dei freni, sono il sistema principale, con freni a mano meccanici come supporto di sicurezza. Gli accoppiatori collegano le auto e il telaio di ciascuna vettura ospita ruote e sospensioni.
I vagoni tipici includono vagoni merci, vagoni minerari, vagoni cisterna, vagoni pianali, vagoni rimorchio, vagoni portacontainer e vagoni passeggeri, alcuni con finestrini panoramici o scompartimenti cuccetta.
I binari sono costituiti da due rotaie parallele in acciaio fissate a scartamento fisso. Lo scartamento standard è 4ft8½in (1.435 mm). Le rotaie sono fissate a traversine (traverse) in legno o cemento, che poggiano su zavorre, pietre sciolte che distribuiscono il peso.
I binari moderni sono generalmente saldati per una guida fluida, sebbene alcune sezioni utilizzino stecche. I binari possono essere diritti, curvi o inclinati per facilitare i viaggi ad alta velocità. Gli scambi spostano le auto tra i binari e i sistemi di segnalazione, sia visivi che elettronici, gestiscono il traffico come semafori sulle strade.
Le ferrovie merci statunitensi sono le più grandi al mondo in termini di volume, entrate e chilometraggio. Le ferrovie di Classe I, i sei principali vettori, trasportano oltre il 67% delle merci nazionali su 5.150-51.499 km di binari.
Categorie di merci:carbone (44% tonnellaggio, 21% entrate), prodotti chimici, prodotti agricoli, minerali non metallici e spedizioni miste. Nel 2007, le ferrovie di Classe I hanno movimentato 1,9 miliardi di tonnellate (1,7 miliardi di tonnellate) e hanno guadagnato circa 53 miliardi di dollari, trasportando 1,7 trilioni di tonnellate-miglia.
Le ferrovie possiedono i binari, ma la maggior parte dei vagoni merci sono di proprietà di spedizionieri o società di leasing. Negli Stati Uniti, il settore è di proprietà privata senza sussidi governativi, mentre molte ferrovie europee sono di proprietà statale e si concentrano principalmente sul servizio passeggeri.
Amtrak, fondata nel 1970, gestisce il 70% delle sue rotte su binari merci e serve oltre 500 destinazioni in 46 stati. Nel 2007 trasportava 25,8 milioni di passeggeri, ma registrava un deficit di 1 miliardo di dollari.
La rete europea è in gran parte di proprietà statale e offre servizi ad alta velocità che competono con le compagnie aeree. I servizi principali includono l'Eurostar (Regno Unito‑Francia‑Belgio), il TGV (Francia) e la linea storica Orient Express.
Esistono altre importanti reti passeggeri in Russia, Cina, Giappone, Corea e Australia, sebbene la maggior parte dei collegamenti continentali siano ancora limitati.
Il futuro delle ferrovie dipende dai prezzi del carburante, dalle politiche governative e dalla domanda pubblica di viaggi veloci ed economici. La ferrovia ad alta velocità, che richiede linee dedicate, potrebbe guadagnare terreno con l’aumento dei costi del petrolio. I treni Maglev promettono velocità ancora più elevate ma devono affrontare elevati costi di costruzione e manutenzione.
Gli investimenti nelle infrastrutture, pubbliche o private, saranno cruciali per espandere la copertura, migliorare la velocità e integrare nuove tecnologie.
Le locomotive convertono il carburante in energia cinetica; gli operatori controllano la velocità con acceleratore, retromarcia e freni.
I binari sono costituiti da rotaie parallele a scartamento fisso, sostenute da traverse e zavorra.
Le moderne locomotive elettriche utilizzano motori di trazione senza ingranaggi; i motori diesel alimentano i generatori che alimentano tali motori.
Scartamento standard:4 piedi e 8½ pollici (1.435 mm).
I treni elettrici traggono energia da una terza rotaia o linea aerea, che alimenta i motori di trazione per muovere le ruote.
