LES CHEMINS DE FER

Le chemin de fer est né au 19e siècle sur le carreau des mines pour transporter le charbon du puits d’extraction vers une voie d’eau. Jusque-là, pour mieux faire rouler les lourds chariots, les mineurs utilisaient des rails de bois, système inventé au 16e siècle. La traction était alors chevaline ou se faisait par simple gravité.

Avec les débuts de l’ère industrielle en Grande-Bretagne, l’augmentation croissante du tonnage met en évidence la nécessité de nouveaux moyens de traction. Déjà utilisée pour actionner les pompes dans les mines, la machine à vapeur va trouver un nouvel emploi.

Naissance en Grande –Bretagne 1800-1829

Richard Trevithick 1771-1833

L’idée de faire avancer un chariot sur rail à l’aide d’une machine à vapeur embarquée revient à Richard Trevithick. Grâce à l’utilisation d’une vapeur à haute pression, de cylindres de moindre diamètre et à l’élimination du condenseur, il parvint à gagner de la place et du poids. Le cylindre placé à l’intérieur de la chaudière actionnait, par un système de bielle manivelle, un lourd volant extérieur pour maintenir le mouvement lors des passages aux points morts. Par l’intermédiaire d’engrenages, le volant entraînait les deux roues gauches, les roues droites restant libres. Le 21 février 1804 à Penydarren (Pays de Galles), cette première locomotive tracta 10 tonnes de fer ainsi que 60 personnes qui s’étaient ruées sur les wagons pour participer au premier voyage en chemin de fer !

John Blenkinsop 1783-1831

En 1812, la première locomotive de série, la Salamanca, est construite par John Blenkinsop. Le problème des points morts y est résolu par la présence d’un deuxième cylindre. Elle est à traction à crémaillère. Ce procédé répond à une croyance généralement admise à l’époque qu’une locomotive, vu les problèmes supposés d’adhérence d’une roue lisse sur un rail lisse, ne pourrait tracter une charge supérieure à son poids. La Salamanca, d’un poids de 5 tonnes, pouvait tracter une charge de 90 tonnes !

William Hedley 1779-1843

William Hedley démontre avec sa Puffing Billy, construite en 1814, que le poids de la locomotive et la transmission par engrenages aux

4 roues motrices, suffisent pour procurer l’adhérence nécessaire. Cette locomotive de 8 tonnes est cependant trop lourde pour la qualité des rails de l’époque. Une version à 8 roues sera développée.  Les cylindres sont pour la première fois placés à l’extérieur de la chaudière. La transmission est assurée par un système de balanciers et d’engrenages.

George Stephenson 1781-1848

La même année, George Stephenson, très intéressé par la réalisation de William Hedley, développe sa propre locomotive, l’impressionnante Blücher. Il y introduit des innovations majeures (roues à boudin assurant le guidage en prenant appui sur les faces latérales du rail, tige du piston reliée directement à la roue) et confirme la traction reposant uniquement sur la friction des roues sur le rail.

Il revient cependant à une conception plus primitive avec sa Locomotion qui assure en 1825 l’ouverture du premier service régulier au monde sur la ligne Stockton-Darlington. Elle est très inspirée des machines fixes des usines. Les cylindres sont logés dans la chaudière ; ils actionnent un système de bielles qui renvoie le mouvement vers le bas en direction des roues. La chaudière est encore une simple bouilloire, en contact avec le foyer et traversée d’un gros tube central pour l’évacuation des gaz brûlants.

Timothy Hackworth 1786-1850

Très au fait de la construction de locomotives à vapeur puisque ayant travaillé tant pour William Hedley que pour George Stephenson, Timothy Hackworth sort en 1827 la Royal George, locomotive à 6 roues couplées, considérée comme la plus puissante de l’époque.

Le Concours de Rainhill (1829) organisé par la Direction de la nouvelle ligne Liverpool-Manchester, vajouer un rôle majeur dans l’évolution des premières locomotives. Il s’agissait de présenter une locomotive pesant moins de 6 tonnes, capable de remorquer trois fois son poids à une vitesse de 16 km/h sur plusieurs allers retours (distance totale 112  km).

 La Novelty, la Perseverance, la Sans Pareil, la Rocket, et la Cycloped participèrent au concours qui marquait de fait la naissance de la locomotive à vapeur moderne.

John Ericsson 1803-1889

De conception très scientifique, la Novelty était équipée de la chaudière verticale de l’ingénieur suédois John Ericsson, capable de produire très vite la vapeur nécessaire. Sa légèreté lui permit d’atteindre les 50 km/h, mais elle explosa lors des premiers essais, collectionna les pannes malgré les réparations, et fut mise hors course. La Novelty est considérée comme étant la première locomotive-tender5 au monde.

Timothy Burstall 1776-1860

La Perseverance, construite par Timothy Burstall, arriva endommagée au Concours de Rainhill et ne put participer que le sixième et dernier jour, en raison des réparations à effectuer. Elle ne put atteindre la vitesse requise. Burstall reçut le prix de consolation de £25.

La Sans Pareil de Timothy Hackworth, version raccourcie et plus légère que sa Royal George, est une locomotive très performante. La chaudière est traversée d’un large tube en forme de U pour l’évacuation des gaz de combustion, ce qui place le foyer et la cheminée du même côté de la machine. Deux cylindres verticaux entraînent directement les roues avant, et par une bielle d’accouplement, également les roues arrière.

Grande victorieuse du concours, la Rocket de George Stephenson tranche sur les locomotives de l’époque (chaudière horizontale, foyer à l’arrière et cheminée à l’avant). Mais les cylindres restent inclinés et placés à l’arrière, empêchant d’en faire une locomotive moderne. Elle comporte néanmoins des innovations marquantes (chaudière tubulaire multipliant par quatre la production de vapeur ; échappement de la vapeur par la cheminée augmentant le tirage et la performance du foyer). D’un poids total de 4,5 t, elle atteint la vitesse de 50 km/h.

Thomas Shaw Brandreth 1788-1873

A l’issue du concours de Rainhill, la Liverpool and Manchester Railway achète des Rocket mais aussi des Sans Pareil dont la durée de service sera plus importante. Pour l’anecdote, la Cycloped de Brandreth fut éliminée d’office, car il s’agissait d’un wagon pourvu d’un tapis roulant mis en mouvement par un cheval embarqué.

Classification des locomotives.

Bien que le souci d’utiliser une méthode de classification ne soit apparu que beaucoup plus tard dans l’évolution de la locomotive à vapeur, il est utile d’introduire et d’employer le concept dès à présent.

1. Notation Whyte. La méthode, basée sur la disposition des roues, est développée au début du 20e siècle par Frederick Methvan Whyte. Elle consiste à énumérer successivement, de l’avant vers l’arrière, le nombre de roues porteuses avant, de roues motrices, et de roues porteuses arrière. Ainsi, une locomotive à un seul châssis est désignée par 3 chiffres. Dans l’exemple, la locomotive Pacific possède 4 roues porteuses avant, 6 roues motrices, et 2 roues porteuses arrière. La notation Whyte de cette Pacific est donc 4-6-2.

Classification UIC

La classification UIC7, utilisée dans notre document, est directement issue de la notation Whyte mais donne le nombre d’essieux en lieu et place du nombre de roues. La Pacific dans l’exemple est de type 231. Les locomotives décrites jusqu’à présent sont pour la plupart de types 020 ou 011.

Premiers développements en Grande-Bretagne 1829 – 1859

Le développement des locomotives a longtemps été freiné par la qualité des rails de l’époque et par l’armement de la voie, qui limitaient le poids et la vitesse.

1829 Grande-Bretagne Agenoria type 020.

Contemporaine de la Rocket, l’Agenoria8, construite par Foster & Rastrick à Stourbridge, utilise la technologie de la première génération de locomotives : large chaudière traversée par la cheminée. One machine identique, la Stourbridge Lion, est expédiée outre-atlantique et sera la première locomotive à rouler sur le continent américain. L’Agenoria a été utilisée pendant 35 ans pour le transport du charbon des mines de Shutt End. La locomotive est exposée dans le musée de York.

1830 Grande-Bretagne Northumbrian type 011

Avec la Northumbrian de type 011, version élargie de la Rocket, Robert Stephenson introduit des innovations techniques importantes (foyer intégré à la chaudière augmentant ainsi le rendement ; boîte à fumée à l’avant dans laquelle peuvent s’accumuler escarbilles et cendres, dégageant ainsi davantage les tubes à fumée de la chaudière). Les cylindres, maintenant horizontaux, sont encore placés à l’arrière. Ils augmentent ainsi le poids, ajouté à celui du foyer, sur l’essieu arrière uniquement porteur au détriment de l’essieu avant moteur. La locomotive a donc tendance à patiner lors du démarrage. De plus, elle se dandine sur les rails, parcourue d’un mouvement en lacet. Provenant des mouvements alternatifs des pistons et des bielles, il est facilité et entretenu par l’empattement très court de la machine. Dans le futur, les ingénieurs vont construire des machines plus longues et chercheront à équilibrer les pièces en mouvement.

1830 Grande-Bretagne Planet type 110

Egalement construite par Robert Stephenson et pour la même compagnie, la Liverpool and Manchester Railway, la Planet apporte des améliorations. Elle est de type 1109 et les cylindres reçoivent leur position définitive sur l’avant de la locomotive. Les roues motrices sont placées à l’arrière, sous le foyer, là où la locomotive est la plus lourde. Elles sont également plus grandes, ce qui permet, à nombre égal de mouvements de piston, d’atteindre des vitesses plus élevées. L’échappement de la vapeur utilisée se fait par la cheminée, augmentant ainsi le tirage du foyer. Les cylindres, non visibles, sont placés entre les longerons du châssis, donc entre les roues, ce qui oblige à l’emploi d’un essieu moteur coudé en forme de vilebrequin. Cette pièce difficile à fabriquer et à équilibrer sera le point faible de ce type de locomotive.

1833 Grande-Bretagne Patentee type 111

Étape importante dans le développement de la locomotive : Robert Stephenson augmente la puissance de sa Planet par l’allongement du foyer et de la chaudière, qui oblige à la doter de roues supplémentaires. Il fait breveter son idée et nomme sa locomotive la Patentee. Elle est par excellence la locomotive des débuts des grands réseaux ferrés européens et servira de référence pour de nombreux fabricants. Elle dispose du premier système à frein actionné par la vapeur. La Patentee s’exporte et contribue largement au développement des chemins de fer sur tout le continent européen.

1838 Grande-Bretagne Lion type 021

Le transport de marchandises entre Manchester, grande ville industrielle, et Liverpool, grand port, est considérable. Il exige des machines puissantes. La

Lion, l’une des premières locomotives pour trains de marchandises, est construite en 1838 par l’entreprise Todd, Kitson & Laird de Leeds et sera mise en service jusqu’en 1859. Par des circonstances toutes particulières, elle échappe à la casse et elle est aujourd’hui la plus ancienne locomotive au monde toujours capable de rouler.

Isambard Kingdom Brunel 1806-1859

A la recherche de plus de vitesse, d’une plus grande capacité et d’une meilleure stabilité, un ingénieur de génie, Isambard Brunel, prévoit pour le Great Western Railway une voie large à l’écartement de 7 pieds, soit 2m10. La guerre des normes est ouverte. Pour éviter les transbordements inévitables entre réseaux incompatibles, le Great Western Railway doit s’incliner et revenir à la voie normale de 4 pieds, soit 1m435. Cet écartement est devenu le standard des chemins de fer du monde entier, à l’exception de quelques grands pays comme la Russie ou l’Inde.

Daniel Gooch 1816 –1889

1846 Grande Bretagne Iron Duke type 211

Plusieurs locomotives ont été construites pour écartement large, dont l’Iron Duke par Sir Daniel Gooch, capable d’atteindre la vitesse de 125 km/h. Elle est la première d’une série de locomotives à grande vitesse dont certaines resteront en service pendant un demi-siècle. Cette série reprend l’ensemble des dispositions des locomotives anglaises de l’époque : cylindres placés entre les longerons, mouvement intérieur, unique essieu moteur à roues de grand diamètre.

1847 Grande Bretagne Jenny Lind type 111

Construite pour le London and Brighton Railway par E.B.Wilson, cette locomotive représente le standard de la décade pour la traction de trains de voyageurs : larges roues motrices – 1m82 de diamètre, large chaudière 3m23 de diamètre, cylindres entre les longerons, mouvement intérieur. La largeur des roues impose cependant une limitation à la largeur de la chaudière, cette dernière étant placée audessus des axes de roulement et devant néanmoins maintenir un centre de gravité le plus bas possible.

Naissance sur le continent Nord-américain 1828 – 1830

John B. Jervis 1795-1885

L’intérêt pour la traction vapeur, vu l’immensité du continent américain, s’impose d’emblée. La première tentative de création d’un service de transport par rail date de 1828 et revient à John B.Jervis. Il importe deux locomotives, la Stourbridge Lion11 et une locomotive plus récente de Robert Stephenson, The Pride of Newcastsle, rebaptisée America. Leur durée de vie est très brève : la première est retirée parce que trop lourde pour les rails de l’époque et la seconde disparaît dans la nature, quelque part en Pennsylvanie.

Peter Coper 1791-1883

Tom Thumb est la première locomotive 100% américaine. Dotée d’une modeste chaudière verticale à tubes, d’un cylindre unique et d’un système de transmission à engrenages, elle est conçue et construite par Peter Coper en 1830. Une soufflerie embarquée et entraînée par le mouvement des roues compense la faiblesse du tirage naturel du foyer. Cette locomotive est destinée à assurer au port de Baltimore, alors en compétition avec le port de New York, la suprématie du commerce avec l’Ouest. La ligne, reliant Baltimore à Ellicott’s Mills, Maryland, mesurait 13 miles. En 1852, elle relie Baltimore à la rivière Ohio, route-clé du transport fluvial vers le Mississippi.

Toujours pour la même compagnie, la Baltimore and Ohio Railroad (B&O), Phineas Davis construit en 1832 la locomotive Atlantic. D’un poids de 6,5 tonnes, elle possède une chaudière verticale et deux cylindres entraînant les 4 roues.

En 1830, la South Carolina Canal and Rail Road Company commande une locomotive auprès de la West Point Foundry de New York. Démontée et envoyée par bateau à Charleston, SC, elle reçoit sur place le nom de Best Friend of Charleston. Elle est la première locomotive à exploser sur le continent : le chauffeur, gêné par le sifflement de la valve de sécurité, l’avait bloquée !

Premiers développements des chemins de fer Nord-américains 1831-1837

1831 Etats-Unis De Witt Clinton type 020.

Le 9 août 1831, c’est la première locomotive à circuler dans l’Etat de New York. Conçue par l’ingénieur John B. Jervis, elle est construite par la West Point Foundry, qui avec sa première année d’expérience et ses deux locomotives déjà vendues, constitue déjà une référence. A remarquer le tender et son toit en forme de baldaquin prévu pour abriter le combustible. La protection de l’équipe de conduite ne viendra que plus tard.

La John Bull, construite par Robert Stephenson en type 020, est importé en pièces détachées pour la Camden and Amboy Railroad

(C&A). Faute de notice de montage, le mécanicien du réseau, Isaac Dripps, omet de monter la bielle d’accouplement et en fait donc une locomotive de type 110. Les cylindres sont placés à l’avant entre les longerons du châssis. Vu la trajectoire imprécise de la locomotive et afin de mieux l’inscrire dans les courbes, Isaac Dripps a l’idée de doter la machine d’un essieu avant supplémentaire monté sur un petit châssis articulé. Il invente ainsi le bissel avant. Sur ce bissel, il place un chasse-pierres en forme d’étrave pour évacuer tout ce qui traîne sur la voie : pierres, branches ou vaches. Ce chasse-vache deviendra la caractéristique par excellence des locomotives américaines.

1832 Etats-Unis Brother Jonathan type 210.

Conçue par John B. Jervis et construite par la West Point Foundry, cette locomotive introduit le boggie : les 4 roues avant pivotent librement sous le châssis, et permettent à la locomotive de mieux s’inscrire dans les courbes serrées du réseau de l’époque. La configuration 210 sera largement utilisée jusqu’en 1850. Le point faible de la Brother Jonathan est l’insuffisance de l’adhérence de traction due à la mauvaise répartition du poids de la locomotive.

1832 Etats-Unis Old Ironsides type 110

Première locomotive construite par Baldwin qui deviendra le constructeur le plus important des Etats-Unis, sinon du monde. Le type 110 est vite abandonné au profit du type 210 plus approprié pour les réseaux de l’époque. L’Old Ironsides entre en service le 23 novembre 1832 sur la ligne Philadelphie, Germantown et Norristown.

1837 Etats-Unis American type 220.

La première locomotive de type 220 a été construite en 1836 ou 1837 sur le continent américain - d’où son nom générique de American par Henry Campbell.

De type American, la locomotive Gowan & Marx, construite en 1839 par Andrew Eastwick et Joseph Harrison, disposait de 4 roues avant pivotantes pour mieux s’inscrire dans les courbes. Par ailleurs, des ressorts égaliseurs maintenaient constante la répartition de son poids sur les 4 roues motrices, en dépit des inégalités de la voie. Locomotive la plus puissante de l’époque, elle assurait le service entre Pottsville et Philadelphie.

Développements sur le continent européen

France 1829 – 1844.

Marc Seguin  1786-1875

Au cours d’un de ses voyages en Angleterre, Marc Seguin, ingénieur français déjà réputé pour la construction de ponts suspendus, conçoit l’idée d’un chemin de fer entre St-Etienne et Lyon15, reliant ainsi la Loire au Rhône. En avril 1828, il achète aux ateliers Stephenson deux Locomotion qu’il transforme et dote de chaudières tubulaires16. Pour améliorer le tirage de la chaudière, il installe sur le tender une énorme soufflerie actionnée par le mouvement de la locomotive. Celle-ci fait son premier trajet en novembre 1829 sur la voie d’essai posée à Perrache.

1844 Crampton type 210

Thomas Russell Crampton 1816-1888

L’ingénieur anglais Thomas Crampton proposa en vain aux différents réseaux anglais sa nouvelle machine dont la qualité principale était depouvoir rouler à 120 km/h (grâce à ses deux grandes roues arrière de 2m14 de diamètre). Des prototypes ont été construits pour les réseaux belge et américain, mais c’est la France du Second Empire qui l’adopta définitivement. Etudiée par l’ingénieur Houel de la firme Cail, la version française fut mise en service sur les réseaux du Nord et de l’Est. En 1853, Napoléon III fixa par décret la vitesse maximale des locomotives à 120 km/h.

Confédération germanique 1835 – 1838

Louis II de Bavière 1845-1886

Le Roi de Bavière Louis 1er donne en 1834 son approbation pour la construction du chemin de fer Nuremberg – Fürth. L’industrie allemande n’étant pas encore équipée pour la fabrication de locomotives, c’est un modèle standard, la Patentee de Robert Stephenson, rebaptisée l’Aigle, qui assure l’inauguration de la ligne le 7 décembre 1835.

1838 Royaume de Saxe Saxonia type 021

Johann Andreas Schubert 1808-1870

Première locomotive de construction allemande, la Saxonia, construite par l’ingénieur Johann Andreas Schubert en 1838, participe le 7 avril 1839 à l’ouverture de la première ligne de chemin de fer dans le Royaume de Saxe, reliant la capitale Dresde à la ville de Leipzig.

Belgique 1835

1835 Belgique L’Eléphant type 021 et Le Belge type 111

La première ligne commerciale de chemin de fer de l’Europe continentale, la ligne Bruxelles – Malines (Mechelen), est inaugurée le 5 mai 1835. Trois locomotives conçues par Robert Stephenson, la Flèche, l’Eléphant, et la Stephenson en l’honneur de son concepteur, participent à l’ouverture dans la gare de l’Allée-Verte à Bruxelles. Le convoi transporte quelque 900 personnes.

Russie.

1834 Russie Nijni-Taguil type 020

Apparemment hors des circuits traditionnels de l’époque, les mécaniciens serfs du riche fabricant Démidov, Efim Tchérépanov et son fils Miron, créent en 1834 la première locomotive russe. La voie à rails de fonte, longue de 854 mètres, est construite à proximité de la ville de Nijni-Taguil18. Cette locomotive, de type 020 avec les cylindres placés entre les longerons, atteint la vitesse de 16,6 km/h. Sous l’impulsion du Tsar Nicolas 1er, des dizaines de milliers de kilomètres de voies seront construits par la suite.

Une locomotive est un véhicule ferroviaire qui fournit l'énergie motrice d'un train. Le mot est originaire du latin loco venant d'un lieu, ablatif de locus, lieu et du latin médiéval motivus, qui provoque le mouvement.

Une locomotive n'a pas de charge utile en elle-même, sa principale fonction étant de tracter un train et éventuellement d'en assurer le chauffage ou l'alimentation électrique. À l'inverse, d'autres trains sont autopropulsés, on les appelle alors automoteurs. Ces engins ne sont toutefois pas considérés comme des locomotives ; on parle d'autorail ou d'automotrices. L'usage de ces véhicules automoteurs est de plus en plus commun pour les trains de passagers, mais très rares pour le fret. Les véhicules qui permettent de tracter un train tout en ayant un espace à utilisation commerciale (fourgon, places passagers, etc) sont des cas à part, nommés au cas par cas. On parle en général d'automotrice (en Anglais).

Traditionnellement, les locomotives tractent les trains : elles sont donc situées à l'avant des convois. Toutefois, de plus en plus de trains de voyageurs sont réversibles : la locomotive tracte le train à l'aller et le pousse au retour. Dans ce cas, le conducteur contrôle la locomotive depuis une voiture pilote, à l'avant du train.

Locomotive à vapeur Pacific 231 G.

Locomotive Diesel Série 59 (Belgique).

Locomotive électrique CC 6500.

L'origine de la première locomotive

La première locomotive à avoir fonctionné a été construite par un anglais, Richard Trevithick. En 1804 sa locomotive à vapeur tracta un train sur les rails de l'aciérie de Pen-y-Darren près de Merthyr Tydfil au Pays de Galles. En fait, la locomotive qui tira un train de 10 tonnes de fer et 70 passagers installés dans cinq wagons sur les quinze kilomètres du trajet était trop lourde pour les voies de l'époque constituées de plaques en fonte épaulées. La locomotive ne fit que trois voyages avant d'être abandonnée. Trevithick construisit une série d'autres locomotives après l'expérience de Pen-y-Darren, dont une qui circula dans une mine de charbon et qui fut remarquée par le jeune George Stephenson.

La première locomotive à vapeur à effectuer un service commercial fut la Salamanca de Matthew Murray, prévue pour les lignes à crémaillère du Middleton Railway, en 1812. Elle a été suivie en 1813 par Puffing Billy construite par Christopher Blackett et William Hedley pour le chemin de fer de la mine Wylam, qui utilise la seule adhérence. Cette machine, la plus ancienne à subsister, est aujourd'hui présentée au Science Museum de Londres.

En 1814, George Stephenson, inspiré par les locomotives antérieures de Trevithick et Hedley persuada le directeur des mines de charbon de Killingworth où il travaillait de l'autoriser à construire une machine à vapeur. Il construisit la locomotive Blücher, dont les roues étaient dotées de boudins. Stephenson joua un rôle majeur dans le développement et la diffusion des locomotives à vapeur. Les éléments qu'il conçut améliorèrent le travail des pionniers. En 1825 il construit la Locomotion n°1 pour le chemin de fer de Stockton et Darlington qui devint le premier chemin de fer ouvert au public. En 1829, il construit the Rocket, qui remporta le concours de Rainhill. Ce succès mena Stephenson à fonder l'une des premières entreprises constructrices de locomotives, qui recevra des commandes de toute l'Europe et des États-Unis.

Avantages des locomotives

BB 27300 poussant une rame de VB2N

Il y a de nombreuses raisons qui expliquent que la fonction de traction des trains ait été, traditionnellement, isolée dans la locomotive, plutôt que répartie dans un véhicule autopropulsé. Ces raisons comprennent : l'aspect pratique : si la locomotive tombe en panne, on peut facilement la remplacer par une autre. Une panne de la partie traction ne met donc pas l'ensemble du train hors service l'utilisation maximale de la capacité de traction : la partie traction est plus coûteuse que le reste, et donc multiplie le coût global lorsqu'elle est immobilisée. Séparer les locomotives permet d'utiliser la capacité de traction de manière optimale ; la flexibilité : des locomotives plus puissantes peuvent être substituées à de plus petites lorsque le besoin s'en fait sentir, par exemple lors d'un passage de plaine en montagne, nécessitant plus de puissance ; le cycle d'obsolescence : séparer la partie traction de la charge remorquée permet de remplacer l'un sans affecter l'autre. Par exemple, la technique de traction d'un engin peut être dépassée alors que son confort reste satisfaisant, ou le contraire.

Avantages de l'automotrice

Rame automotrice Z 5600 à 6 éléments.

L'utilisation des automotrices a aussi ses avantages, qui doivent être comparés à ceux des locomotives : Efficacité énergétique : les automotrices ont un meilleur rendement que des rames tractées et elles sont moins sujettes au patinage, particulièrement en côte, la masse du train (dans la plupart des cas) étant placée aux environs des roues, alors qu'une locomotive ne peut compter que sur sa masse propre ; pas besoin de retourner la locomotive : la plupart des automoteurs ont une cabine de conduite à chaque extrémité, ce qui permet de changer le sens de marche en changeant simplement de cabine. Il n'y a pas besoin non plus de dételer / atteler la locomotive, ce qui permet un changement de sens plus rapide tout en augmentant la sécurité ; fiabilité : la plupart des automoteurs ont plusieurs moteurs, répartis dans le train. En cas de panne de l'un des moteurs, il est parfois possible de continuer avec une puissance de traction réduite mais suffisante pour arriver à destination. Cependant, de nombreuses locomotives destinées au fret ont plusieurs moteurs, ce qui fait qu'elles peuvent également continuer à circuler ; sécurité : les automoteurs ont souvent des systèmes de freinage complètement indépendants sur chaque voiture, ce qui veut dire qu'une panne de frein sur un élément n'empêchera pas le train de s'arrêter.

Classification par mode de traction

Les locomotives peuvent tirer leur puissance de combustibles (bois, charbon, pétrole, gaz naturel), ou elles peuvent la tirer d'une source électrique. Il est fréquent de classer les locomotives par source d'énergie.

Au XIX^e siècle, les premières locomotives était mues par de la vapeur, souvent produite en brûlant du charbon. Puisque les locomotives à vapeur utilisent un (ou plusieurs) moteurs à vapeur, on y fait parfois référence sous le nom de machine à vapeur. Les locomotives à vapeur resteront jusqu'après la Seconde Guerre mondiale le type le plus courant de locomotive.

La première locomotive à vapeur a été construite par Richard Trevithick ; elle circula pour la première fois le 21 février 1804. Cependant il fallut attendre plusieurs années pour que ces engins deviennent réellement utilisables. Le premier usage commercial d'une locomotive a été celui de la Salamandre sur les chemins de fer à voie étroite du Middleton Railway, près de Leeds en 1812. La locomotive Fairy Queen, construite en 1855 et qui circula entre New Delhi et Alwar en Inde est la plus vieille locomotive en service (touristique) régulier ainsi que la plus vieille encore autorisée à circuler sur ligne principale.

Une machine à vapeur à la Gare du Nord de Paris, en 1930.

Le record de vitesse d'un train à vapeur est détenu par la locomotive du LNER Pacific Mallard, qui, tractant six voitures et une voiture-dynamomètre, atteignit la vitesse de 203 km/h sur une voie en légère pente descendante le 3 juillet 1938. Des locomotives carénées allemandes s'approchèrent de ce record, et on le donne généralement comme très proche des limites réelles des machines à vapeur.

Avant le milieu du XX^e siècle, les locomotives électriques et Diesel-électriques commencèrent à remplacer la vapeur. Ces dernières avaient un rendement moindre et exigeaient plus d'entretien et de personnel pour les exploiter. Des chiffres de British Rail montrent que le coût de conduite et d'alimentation d'une locomotive à vapeur est de deux fois et demi supérieur à celui d'une locomotive Diesel, alors que le kilométrage journalier moyen est bien inférieur. Le coût du travail augmentant, surtout après la Seconde Guerre mondiale, les systèmes sans vapeur devinrent plus rentables. En France, le vote de la loi des huit heures de travail par jour contribua aussi à cet abandon de la vapeur, ne permettant plus aux entreprises possédant seulement quelques engins le temps de chauffer et d'utiliser assez longtemps les machines pour que cela compense les frais de fonctionnement. À la fin des années 1960-1970, la plupart des pays occidentaux avaient complètement supprimé la vapeur des services passagers. Pour le fret, la transition s'est effectuée un peu plus tard. Quelques autres solutions ont été essayées afin de prolonger la vie des machines à vapeur, par exemple en utilisant des turbines à gaz, mais finalement elles ont été très peu utilisées.

Locomotive 030-219 de la Renfe à Miranda d’Ebro.

À la fin du XX^e siècle, la plupart des locomotives à vapeur que l'on peut voir en service en Amérique et en Europe le sont sur des chemins de fer touristiques, où elles sont appréciées par les touristes et amateurs de chemin de fer. Il existe aussi en Allemagne un ensemble de lignes à voie étroite toujours exploité par des machines à vapeur de façon régulière. Les machines à vapeur ont été utilisées commercialement au Mexique jusqu'à la fin des années 1970 et le sont toujours en 2007 en Chine, où le charbon est plus abondant et moins coûteux que le pétrole utilisé par les moteurs Diesel. L'Inde convertit la traction à vapeur à l'électrique depuis les années 1980, à l'exception de certaines lignes considérées comme touristiques. Dans certaines régions montagneuses, la vapeur reste également utilisée parce que, à l'inverse du moteur Diesel dont la puissance diminue quand l'altitude augmente car le débit masse d'air aspiré diminue, la puissance de la locomotive à vapeur augmente lorsque l'altitude augmente du fait de la moindre pression atmosphérique à l'échappement.

Ainsi, en 2006, DLM AG (Suisse) continue de fabriquer des locomotives à vapeur neuves, utilisant des techniques de pointe pour les rendre encore plus efficaces.

Dans certaines industries sensibles, il a existé des locomotives à vapeur sans foyer ou à air comprimé, afin d'éviter les étincelles pouvant provoquer des explosions. Ces machines (locomotives système Franck, par exemple) devaient être rechargées en vapeur à poste fixe et disposaient d'une autonomie pouvant atteindre 1 h 30 en manœuvres légères.

Diesel

Locomotive Diesel des chemins de fer marocains (ONCF) à Fès.

À partir de 1940 environ, les locomotives à moteur Diesel firent leur apparition. Les locomotives à vapeur qui fonctionnaient au fioul et non au charbon étaient surnommées, en France, les goudronneuses, elles commencèrent à remplacer la vapeur sur les réseaux nord-américains. Au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, le diesel fit son apparition sur les rails de nombreux pays. Vers 1960, peu de grands réseaux continuaient à miser sur la vapeur.

Comme pour tout véhicule mû par un moteur à combustion interne, les locomotives Diesel ont un système permettant de transmettre l'énergie produite aux roues. Aux débuts de la diésélisation, des transmissions électriques, hydrostatiques ou encore mécaniques ont été essayées avec des degrés de succès variables. Des trois, l'électrique s'avéra la plus adaptée et la plus pratique à l'usage. Ainsi, pratiquement toutes les locomotives diesel actuelles en France sont en fait des Diesel-électriques, alors que la transmission hydraulique a été adoptée en Allemagne.

Une locomotive Diesel a besoin de moins de maintenance qu'une vapeur, ce qui entraîna une réduction en proportion du personnel nécessaire pour maintenir les flottes en service. Les meilleures locomotives à vapeur avaient besoin de trois à cinq jours par mois en atelier pour la maintenance courante, et bien plus pour des opérations lourdes. Une locomotive Diesel classique n'a pas besoin de plus de 8 ou 10 heures de maintenance par mois. Les opérations lourdes sont également plus espacées.

La pollution que l'on reproche aux Diesel a tendance à s'amenuiser, les engins modernes produisant de moins en moins de particules. On considère ainsi qu'une locomotive Diesel européenne pollue autant que quatre camions, alors qu'elle tracte plus de charges que vingt d'entre-eux.

Turbine à gaz

Locomotive UP 18, exposée à l’Illinois Railway Museum

Une locomotive à turbine à gaz est une locomotive qui utilise une (ou plusieurs) turbines pour faire fonctionner un alternateur. L'électricité produite est utilisée pour alimenter les moteurs de traction. Les premières locomotives de ce type ont été produites dans les années 1920, le premier engin commercial ayant été produit par Brown-Boveri en 1942 pour les CFF. Un certain nombre d'engin et même de rames automotrices (qui seront nommées turbotrains) utilisant ce mode de propulsion furent produites dans les années 1950/60, jusqu'au premier choc pétrolier.

Les locomotives à turbine sont semblables sur bien des points à des locomotives Diesel-électriques, par exemple sur les engins General Electric, beaucoup de pièces de la chaine de transmission étaient les mêmes que celles des Diesel de la marque.

Une turbine offre certains avantages par rapport à un moteur à explosion. Tout d'abord, le nombre de pièces en mouvement est plus faible et le rapport puissance/masse bien plus élevé. Ainsi, à puissance égale un turbomoteur est plus compact qu'un Diesel, ce qui permet d'augmenter la puissance des engins. Cependant, la puissance développée par une turbine diminue énormément quand sa vitesse de rotation chute, à l'inverse des Diesel qui ont une courbe de puissance en fonction de la vitesse bien plus plate. Ces engins à turbine, s'ils sont très puissants sont aussi très bruyants.

L'Union Pacific a exploité la plus grande flotte de locomotives à turbine, seul à les avoir utilisées pour la traction de trains de fret. La plupart des autres machines ont été construites pour la traction des trains de voyageurs légers avec un succès mitigé. Après le premier choc pétrolier et une forte augmentation des coûts de carburant, étant donné leur grosse consommation de kérosène, les locomotives à turbine ne se révélèrent plus rentables et mises hors service. Les dernières rames à turbine à gaz françaises ont été arrêtées en 2004, quelques éléments seront vendus à l'Iran.

Électrique

L'utilisation de l'électricité en traction ferroviaire date de 1837, mais ce n'est que vers 1900 que des engins réellement utilisables sont apparus. La première ligne française électrifiée a été celle des Invalides à Versailles rive gauche en 1900, appartenant à l'époque à la compagnie de l'Ouest. Cette ligne de proche banlieue comporte un long tunnel dans lequel les fumées incommodaient les voyageurs. Quatre fourgons à prise de courant par troisième rail tractaient les trains.

Locomotive électrique VL60^p_k (ВЛ60^п_к) de l'ex-URSS.

À partir de 1912, le réseau du Midi électrifia une partie de ses lignes en 12 kV 16 ⅔ Hz par caténaire. La difficulté à trouver des isolants et à mettre au point des appareillages à si haute tension fit que le réseau adopta ensuite le 1500 V continu. Cette tension d'alimentation resta la référence jusqu'au début des années 1950.

Sous l'impulsion de Louis Armand, le courant industriel alternatif (c'est-à-dire directement produit par les centrales électriques et envoyé dans la caténaire sans adaptation coûteuse, telle qu'une conversion en continu) a été utilisé à partir de cette époque pour toutes les nouvelles grandes électrifications. Ce sera dans les locomotives que la conversion et l'adaptation de la tension se fera afin d'être utilisée par les moteurs. Cette technique, élevant la tension en ligne et, par incidence, diminuant les courants appelés, permet également de diminuer les pertes dans le conducteur. On peut ainsi diminuer le nombre de sous-stations.

Une locomotive électrique est la plupart du temps alimentée de l'extérieur, que ce soit par une caténaire ou un troisième rail. Le coût d'électrification d'une ligne est élevé, mais les performances de la traction électrique sont supérieures dans bien des cas à celles de la traction Diesel, notamment au point de vue des puissances développées.

Certaines locomotives électriques peuvent aussi fonctionner sur batteries, ce qui leur permet de courts trajets sur des lignes non électrifiées. Cela est aussi utile pour les manœuvres. Les locomotives à batterie sont utilisées dans les mines ou les chemins de fer souterrains où les Diesel ne peuvent être utilisés. Cependant, le coût et la masse des batteries empêchent ce genre de locomotive d'effectuer de longs parcours, les recharges devant s'effectuer fréquemment.

Lévitation magnétique

Train à lévitation magnétique Transrapid sur sa voie d'essai d'Emsland en Allemagne.

La technique la plus récente de traction ferroviaire est la lévitation magnétique. Ces trains, alimentés par de l'énergie électrique, ont un principe de fonctionnement basé sur celui du moteur linéaire. La carcasse ouverte de ce moteur entoure le rail sans le toucher, ce qui supprime les phénomènes de friction directe. Très peu de systèmes de ce genre sont en service. Le Maglev expérimental japonais a atteint la vitesse de 581 km/h. Le transrapid allemand est le seul train à sustentation magnétique qui ait eu un débouché commercial. Toutefois, la technologie utilisée n'autorisant pas d'interconnexion avec le réseau ferré actuel, les charges transportées étant relativement faibles et le coût de l'infrastructure étant élevé, le gain de ce type de traction n'est pas suffisant pour justifier sa survie.

Le transrapid relie l'aéroport de Shanghai à la ville.

Le premier Maglev a circulé dans les années 1980s à Birmingham, au Royaume-Uni, en un service à faible vitesse entre l'aéroport et la gare de cette ville. Malgré l'intérêt du système, il a été arrêté à cause du manque de pièces détachées et remplacé par un système à traction par câbles.

Bi-mode

Il existe des locomotives et des autorails bi-mode qui permettent d'utiliser la traction électrique sur les voies électrifiées ou un moteur diesel sur le reste du réseau. Citons par exemple l'automotrice B 82500 de la SNCF et la série 1900 de FEVE.

Hybride

Il existe aussi quelques prototypes japonais, tchèque, allemand et français de locomotives hybrides fonctionnant en partie sur diesel et en partie sur batteries, rechargées pendant les freinages ou, pour le prototype japonais par une pile à combustible. En zone de montagne, le système de freinage par récupération permettrait une économie de 20 % de carburant. Une série de locotracteurs hybrides a été commandée en 2004 par l'Union Pacific et le Canadien National. Une économie de 90 % d'émission de particules a pu être observée depuis la mise en service de ces engins par rapport à un diesel classique.

Modes expérimentaux

Il y a quelques autres modes de propulsion en expérimentation.

En 2006, la société Parry People Movers a réalisé un véhicule léger sur rail mû par l'énergie stockée dans un volant d'inertie à la manière des petites voitures à friction. Le volant est mis en rotation par un moteur électrique alimenté par des batteries, ou, sur un autre prototype, par un moteur à essence. La rotation est également entretenue lors des freinages. Il a également été proposé de lancer et d'entretenir la rotation dans des stations, ce qui augmenterait les coûts d'installation, mais réduirait ceux d'exploitation et, en allégeant les véhicules, augmenterait leur autonomie.

Le système de volant d'inertie a été testé sur plusieurs lignes, dont les réseaux à voie de 60 du Ffestiniog Railway, le Welsh Highland Railway ainsi que le Welshpool and Llanfair Light Railway. Le premier service sur ligne régulière a été lancé en février 2006 afin d'assurer le dimanche la desserte d'une petite ligne entre la gare de Stourbridge junction et Stourbridge Town au Royaume-Uni. Ce système semble plus développé dans le domaine des transports urbains.

Classification selon l'usage

Les trois principales catégories de locomotives sont souvent sous-divisées selon leur rôle. Ainsi, il y a des locomotives pour trains de passagers, d'autres spécialisées pour les trains de marchandises et enfin les locomotives de manœuvre. Ces catégories résultent de deux caractéristiques des machines : l'effort au démarrage (et donc la charge tractée) et la vitesse maximale. Par exemple, une locomotive conçue pour les trains de marchandises a un effort au démarrage permettant de décoller 1500 t en palier, mais sa vitesse de pointe est de 90 km/h. À l'inverse, une locomotive pour trains de passagers ne pourra pas décoller de train très lourd (500 t par exemple, ce qui représente 11 voitures Corail), mais pourra atteindre la vitesse de 160 km/h. Le cas des locomotives de manœuvre est particulier, puisqu'il s'agit d'engins prévus pour développer un effort continu à très basse vitesse, par exemple dans les triages. Leur puissance est intermédiaire, bien souvent inférieure à celle des engins prévus pour du fret. Ces locomotives ont souvent une cabine dépassant les capots afin de fournir une meilleure visibilité.

Il existe des locomotives capables de remplir plusieurs rôles à la fois, grâce à un changement de rapport d'engrenages ou via de l'électronique de puissance. Beaucoup de locomotives européennes sont de ce type, à l'inverse des engins américains restant fortement orientés vers les marchandises, et dont seule une très petite partie sera amenée à circuler au-delà de 140 km/h. La charge des trains en Europe et la possibilité de mettre les engins en unités multiples facilite la diffusion de telles locomotives.

Pour les locomotives à vapeur, un moyen simple de reconnaître leur type est de regarder la taille des roues. En effet, les pistons (donc l'effort) y étant directement reliés, on se rend compte que pour un coup de piston, une locomotive dotée de grandes roues parcourra une distance supérieure à une autre dotée de petites roues, mais qu'à énergie fournie au piston égale, celle ayant de plus petites roues fournira le couple le plus élevé. C'est pourquoi les locomotives spécialisées au service des marchandises ont souvent plusieurs petites roues reliées, alors que les locomotives passagers disposent de moins d'essieux accouplés mais très grands, jusqu'à 2 m pour les 241 P, par exemple.

Quelques locomotives sont spécialement conçues pour les chemins de fer de montagne, ajoutant au mécanisme habituel des systèmes de freinage et parfois des crémaillères. Les locomotives à vapeur conçues pour un tel service ont souvent une chaudière inclinée, afin de garantir que le foyer soit toujours entouré d'eau à chauffer, sans quoi il pourrait être très gravement détérioré.

Représentations

La locomotive est souvent utilisée comme symbole ferroviaire, pour la signalisation, notamment les panneaux routiers, et dans l'art, voir la toile de Claude Monet.