Transporte ferroviario

En 1784, James Watt , inventor e ingeniero mecánico escocés, patentó un diseño para una locomotora de vapor . Watt había mejorado la máquina de vapor de Thomas Newcomen , utilizada hasta entonces para bombear agua de las minas, y en 1769 desarrolló un motor alternativo capaz de impulsar una rueda. Se trataba de un gran motor estacionario que impulsaba fábricas de algodón y diversa maquinaria; el estado de la tecnología de calderas requería el uso de vapor a baja presión que actuaba sobre el vacío del cilindro, lo que exigía un condensador y una bomba de aire independientes . Sin embargo, a medida que mejoraba la construcción de calderas, Watt investigó el uso de vapor a alta presión que actuaba directamente sobre un pistón, lo que abrió la posibilidad de un motor más pequeño capaz de impulsar un vehículo. Tras su patente, el empleado de Watt, William Murdoch, produjo ese mismo año un modelo funcional de un carruaje de vapor autopropulsado. ^{[ 33 ]}

La primera locomotora de vapor ferroviaria a escala real en funcionamiento fue construida en el Reino Unido en 1804 por Richard Trevithick , un ingeniero británico nacido en Cornualles . Esta utilizaba vapor a alta presión para impulsar el motor mediante una carrera de potencia. El sistema de transmisión empleaba un gran volante para equilibrar la acción de la biela. El 21 de febrero de 1804, tuvo lugar el primer viaje en tren de vapor del mundo, cuando la locomotora de vapor sin nombre de Trevithick arrastró un tren a lo largo del tranvía de la fundición de hierro de Penydarren , cerca de Merthyr Tydfil, en el sur de Gales . ^{[ 34 ] [ 35 ]} Trevithick posteriormente demostró el funcionamiento de una locomotora en un tramo de vía circular en Bloomsbury , Londres, la Catch Me Who Can , pero nunca pasó de la fase experimental con locomotoras ferroviarias, sobre todo porque sus máquinas eran demasiado pesadas para la vía de placas de hierro fundido que se utilizaba entonces. ^{[ 36 ]}

La primera locomotora de vapor de éxito comercial fue la locomotora de cremallera Salamanca, diseñada por Matthew Murray para el ferrocarril de Middleton en Leeds en 1812. Esta locomotora de dos cilindros era lo suficientemente ligera como para no dañar los raíles laterales y solucionaba el problema de la adherencia mediante una rueda dentada con dientes fundidos en el lateral de uno de los raíles. Por lo tanto, fue también el primer ferrocarril de cremallera.

A esto le siguió en 1813 la locomotora Puffing Billy, construida por Christopher Blackett y William Hedley para el ferrocarril de la mina de carbón de Wylam , la primera locomotora exitosa que funcionaba únicamente por adherencia . Esto se logró distribuyendo el peso entre varias ruedas. Puffing Billy se exhibe actualmente en el Museo de Ciencias de Londres y es la locomotora más antigua que existe. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

En 1814, George Stephenson , inspirado por las primeras locomotoras de Trevithick, Murray y Hedley, convenció al gerente de la mina de carbón de Killingworth , donde trabajaba, para que le permitiera construir una máquina de vapor . Stephenson desempeñó un papel fundamental en el desarrollo y la adopción generalizada de la locomotora de vapor. Sus diseños mejoraron considerablemente el trabajo de los pioneros anteriores. Construyó la locomotora Blücher , también una exitosa locomotora de adherencia con ruedas con pestañas . En 1825, construyó la locomotora Locomotion para el ferrocarril de Stockton y Darlington , en el noreste de Inglaterra, que se convirtió en el primer ferrocarril público de vapor del mundo. Sin embargo, utilizaba tanto fuerza animal como energía de vapor en diferentes trayectos. En 1829, construyó la locomotora Rocket , que participó en las pruebas de Rainhill y ganó. Este éxito llevó a Stephenson a establecer su compañía como el principal constructor de locomotoras de vapor para ferrocarriles en Gran Bretaña e Irlanda, Estados Unidos y gran parte de Europa. ^{[ 39 ] : 24–30} El primer ferrocarril público que utilizó únicamente locomotoras de vapor, todo el tiempo, fue el Liverpool and Manchester Railway , construido en 1830. ^{[ 40 ]}

La energía de vapor siguió siendo el sistema de propulsión dominante en los ferrocarriles de todo el mundo durante más de un siglo.

La primera locomotora eléctrica conocida fue construida en 1837 por el químico Robert Davidson de Aberdeen , Escocia. Funcionaba con pilas galvánicas (baterías), siendo así la primera locomotora eléctrica de batería. Posteriormente, Davidson construyó una locomotora más grande llamada Galvani , exhibida en la Exposición de la Real Sociedad Escocesa de las Artes en 1841. Este vehículo de siete toneladas contaba con dos motores de reluctancia de transmisión directa , con electroimanes fijos que actuaban sobre barras de hierro unidas a un cilindro de madera en cada eje, y conmutadores sencillos . Transportaba una carga de seis toneladas a cuatro millas por hora (6 kilómetros por hora) durante una distancia de una milla y media (2,4 kilómetros) . Fue probada en el ferrocarril de Edimburgo y Glasgow en septiembre del año siguiente, pero la limitada potencia de la batería impidió su uso generalizado. Fue destruida por los trabajadores ferroviarios, quienes la consideraron una amenaza para la seguridad de sus empleos. ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]} A mediados del siglo XIX, la mayoría de los países europeos tenían usos militares para los ferrocarriles. ^{[ 44 ]}

Werner von Siemens demostró un ferrocarril eléctrico en 1879 en Berlín. La primera línea de tranvía eléctrico del mundo, el tranvía Gross-Lichterfelde , se inauguró en Lichterfelde, cerca de Berlín , Alemania, en 1881. Fue construida por Siemens. El tranvía funcionaba con 180 voltios de corriente continua, suministrados por los rieles. En 1891, la vía se equipó con un cable aéreo y la línea se extendió hasta la estación de Berlín-Lichterfelde Oeste . El ferrocarril eléctrico Volk's se inauguró en 1883 en Brighton , Inglaterra. El ferrocarril sigue en funcionamiento, lo que lo convierte en el ferrocarril eléctrico en funcionamiento más antiguo del mundo. También en 1883, el tranvía Mödling y Hinterbrühl se inauguró cerca de Viena, Austria. Fue la primera línea de tranvía del mundo en operar en servicio regular, alimentada por un cable aéreo. Cinco años más tarde, en los EE. UU., los trolebuses eléctricos fueron pioneros en 1888 en el Richmond Union Passenger Railway , utilizando equipos diseñados por Frank J. Sprague . ^{[ 45 ]}

La primera electrificación en una línea principal se implementó en 1895 en un tramo de cuatro millas de la Baltimore Belt Line del ferrocarril Baltimore and Ohio (B&O), conectando la parte principal del B&O con la nueva línea a Nueva York a través de una serie de túneles que rodeaban el centro de Baltimore. La electricidad se convirtió rápidamente en la fuente de energía preferida para el metro, gracias en parte a la invención del sistema de control de trenes de unidades múltiples por parte de Sprague en 1897. A principios del siglo XX, la mayoría de los tranvías ya estaban electrificados.

El metro de Londres , el ferrocarril subterráneo más antiguo del mundo, se inauguró en 1863 y comenzó a operar servicios eléctricos utilizando un sistema de cuarto carril en 1890 en el ferrocarril City and South London , ahora parte de la línea Northern del metro de Londres . Este fue el primer ferrocarril importante en utilizar tracción eléctrica . El primer ferrocarril eléctrico subterráneo del mundo, va desde la City de Londres , bajo el río Támesis , hasta Stockwell , en el sur de Londres. ^{[ 46 ]}

La primera locomotora eléctrica de corriente alterna práctica fue diseñada por Charles Brown , quien trabajaba entonces para Oerlikon en Zúrich. En 1891, Brown había demostrado la transmisión de energía a larga distancia, utilizando corriente alterna trifásica , entre una central hidroeléctrica en Lauffen am Neckar y Frankfurt am Main West, una distancia de 280 km (170 millas) . Gracias a la experiencia adquirida trabajando para Jean Heilmann en el diseño de locomotoras de vapor-eléctricas, Brown observó que los motores trifásicos tenían una mayor relación potencia-peso que los motores de corriente continua y, debido a la ausencia de un conmutador , eran más sencillos de fabricar y mantener. ^{[ b ]} Sin embargo, eran mucho más grandes que los motores de corriente continua de la época y no podían montarse en bogies bajo el piso : solo podían transportarse dentro de las carrocerías de las locomotoras. ^{[ 48 ]}  

En 1894, el ingeniero húngaro Kálmán Kandó desarrolló un nuevo tipo de motores y generadores eléctricos asíncronos trifásicos para locomotoras eléctricas. Los primeros diseños de Kandó de 1894 se aplicaron por primera vez en un tranvía de corriente alterna trifásica de corta longitud en Évian-les-Bains (Francia), construido entre 1896 y 1898. ^{[ 49 ] [ 50 ]}

En 1896, Oerlikon instaló el primer sistema comercial en el tranvía de Lugano . Cada locomotora de 30 toneladas contaba con dos motores de 110 kW (150 hp) alimentados por una línea aérea doble de 750 V (40 Hz). Los motores trifásicos funcionan a velocidad constante y proporcionan frenado regenerativo , lo que los hace idóneos para rutas con pendientes pronunciadas. Las primeras locomotoras trifásicas de línea principal fueron suministradas por Brown (en asociación con Walter Boveri ) en 1899 para la línea Burgdorf-Thun de 40 km , en Suiza.     

Los ferrocarriles italianos fueron los primeros del mundo en introducir la tracción eléctrica a lo largo de toda una línea principal, en lugar de en un tramo corto. La línea Valtellina,  de 106 km, se inauguró el 4 de septiembre de 1902, diseñada por Kandó y un equipo de la fábrica Ganz. ^{[ 51 ] [ 52 ]} El sistema eléctrico era trifásico a 3 kV 15 Hz. En 1918, ^{[ 53 ]} Kandó inventó y desarrolló el convertidor de fase rotativo , lo que permitió a las locomotoras eléctricas utilizar motores trifásicos alimentados a través de un único cable aéreo, que transportaba la corriente alterna monofásica de frecuencia industrial simple (50 Hz) de las redes nacionales de alta tensión. ^{[ 52 ]}   

Una importante contribución a la mayor adopción de la tracción de corriente alterna provino de la SNCF de Francia después de la Segunda Guerra Mundial . La compañía realizó pruebas con corriente alterna de 50  Hz y la estableció como estándar. Tras las exitosas pruebas de la SNCF, los 50  Hz, ahora también conocidos como frecuencia industrial, se adoptaron como estándar para las líneas principales en todo el mundo. ^{[ 54 ]}

Los primeros ejemplos registrados de un motor de combustión interna para uso ferroviario incluyeron un prototipo diseñado por William Dent Priestman . Sir William Thomson lo examinó en 1888 y lo describió como un "motor de petróleo Priestman montado sobre un camión que funciona en una línea de rieles provisional para mostrar la adaptación de un motor de petróleo para fines de locomotora". ^{[ 55 ] [ 56 ]} En 1894, una máquina de dos ejes de 20 hp (15 kW) construida por Priestman Brothers se utilizó en los muelles de Hull . ^{[ 57 ]}  

En 1906, Rudolf Diesel , Adolf Klose y el fabricante de motores de vapor y diésel Gebrüder Sulzer fundaron Diesel-Sulzer-Klose GmbH para fabricar locomotoras diésel. Sulzer fabricaba motores diésel desde 1898. Los Ferrocarriles Estatales Prusianos encargaron una locomotora diésel a la empresa en 1909. La primera locomotora diésel del mundo operó en el verano de 1912 en el ferrocarril Winterthur–Romanshorn en Suiza, pero no tuvo éxito comercial. ^{[ 58 ]} El peso de la locomotora era de 95 toneladas y la potencia era de 883  kW con una velocidad máxima de 100 km/h (62 mph) . ^{[ 59 ]} Se produjeron pequeñas cantidades de prototipos de locomotoras diésel en varios países hasta mediados de la década de 1920. La Unión Soviética operó tres unidades experimentales de diferentes diseños desde finales de 1925 en adelante, aunque solo una de ellas (la E el-2 ) demostró ser técnicamente viable. ^{[ 60 ]}  

Un avance significativo ocurrió en 1914, cuando Hermann Lemp , un ingeniero eléctrico de General Electric , desarrolló y patentó un sistema de control eléctrico de corriente continua confiable (Lemp también patentó mejoras posteriores). ^{[ 61 ]} El diseño de Lemp usaba una sola palanca para controlar tanto el motor como el generador de manera coordinada, y fue el prototipo para todos los sistemas de control de locomotoras diésel-eléctricas . En 1914, los primeros automotores diésel-eléctricos funcionales del mundo fueron producidos para Königlich-Sächsische Staatseisenbahnen ( Ferrocarriles Estatales Reales de Sajonia ) por Waggonfabrik Rastatt con equipo eléctrico de Brown, Boveri & Cie y motores diésel de Swiss Sulzer AG . Fueron clasificados como DET 1 y DET 2 ( de.wiki ). Las primeras locomotoras diésel-eléctricas de uso regular fueron locomotoras de maniobras (de cambio de vía) . General Electric fabricó varias locomotoras de maniobras pequeñas en la década de 1930 (la famosa locomotora de maniobras de " 44 toneladas " se presentó en 1940). Westinghouse Electric y Baldwin colaboraron en la construcción de locomotoras de maniobras a partir de 1929.

En 1929, Canadian National Railways se convirtió en el primer ferrocarril norteamericano en utilizar locomotoras diésel en el servicio de línea principal con dos unidades, la 9000 y la 9001, de Westinghouse. ^{[ 62 ]}

Aunque en Europa se introdujeron servicios de trenes de vapor y diésel que alcanzaban velocidades de hasta 200 km/h (120 mph) antes de la década de 1960, no tuvieron mucho éxito.  

El primer tren de alta velocidad electrificado, el Shinkansen Tōkaidō, se inauguró en 1964 entre Tokio y Osaka , en Japón. Desde entonces, se han construido líneas de alta velocidad en muchos países, que alcanzan velocidades de hasta 300 km/h (190 mph) o superiores . La construcción de muchas de estas líneas ha provocado una drástica disminución de los vuelos de corta distancia y del tráfico automovilístico entre las ciudades conectadas.  

Los trenes de alta velocidad suelen circular por vías de ancho estándar con raíles soldados de forma continua, en tramos a distinto nivel que incorporan un amplio radio de giro en su diseño. Si bien el ferrocarril de alta velocidad se diseña principalmente para el transporte de pasajeros, algunos sistemas también ofrecen servicio de carga.

Desde 1980, el transporte ferroviario ha cambiado drásticamente. Aun así, algunos ferrocarriles históricos siguen funcionando como parte de la recreación histórica , preservando y manteniendo antiguas líneas ferroviarias para trenes turísticos.

Tradicionalmente, los trenes son arrastrados por una locomotora. Esto implica uno o más vehículos motorizados situados en la parte delantera del tren, que proporcionan la fuerza de tracción suficiente para arrastrar todo el peso del tren. Esta disposición sigue siendo la predominante para los trenes de mercancías y también se utiliza con frecuencia para los trenes de pasajeros. Un tren de tracción inversa tiene el vagón de pasajeros del extremo equipado con una cabina de conductor, lo que permite al maquinista controlar la locomotora a distancia. Esto elimina una de las desventajas de los trenes remolcados por locomotora, ya que no es necesario mover la locomotora a la parte delantera del tren cada vez que este cambia de dirección. Un vagón de ferrocarril es un vehículo utilizado para el transporte de pasajeros o mercancías.

Un tren de unidades múltiples cuenta con tracción en las ruedas a lo largo de todo el tren. Se utilizan en sistemas de transporte rápido y tranvías, así como en muchos trenes de pasajeros de corta y larga distancia. Un vagón es un vagón individual autopropulsado, que puede ser eléctrico o diésel . Los trenes de unidades múltiples tienen una cabina de conductor en cada extremo y se desarrollaron tras la aparición de la capacidad de construir motores eléctricos y otros motores lo suficientemente pequeños como para caber debajo del vagón. Existen pocos trenes de unidades múltiples de carga, la mayoría de los cuales son trenes postales de alta velocidad.

Las locomotoras de vapor son locomotoras con un motor de vapor que proporciona tracción. El carbón , el petróleo o la madera se queman en un hogar , hirviendo agua en la caldera para crear vapor a presión. El vapor viaja a través de la caja de humos antes de salir por la chimenea. En este proceso, impulsa un pistón que transmite la potencia directamente a través de una biela y un muñón de manivela en la rueda motriz o a una manivela en un eje motriz. Las locomotoras de vapor han sido retiradas gradualmente de la circulación en la mayor parte del mundo por razones económicas y de seguridad, aunque muchas se conservan en funcionamiento en ferrocarriles históricos .

Las locomotoras eléctricas obtienen energía de una fuente fija mediante una catenaria o un tercer carril . Algunas también utilizan baterías . En las locomotoras alimentadas por corriente alterna de alta tensión , un transformador convierte la energía de alta tensión y baja corriente en energía de baja tensión y alta corriente, que se utiliza en los motores de tracción que impulsan las ruedas. Las locomotoras modernas pueden usar motores de inducción de CA trifásicos o motores de corriente continua . En determinadas condiciones, las locomotoras eléctricas son la tracción más potente. También son las más económicas de operar, generan menos ruido y no contaminan el aire local. Sin embargo, requieren una gran inversión de capital tanto para las líneas aéreas y la infraestructura de apoyo, como para la central eléctrica necesaria para producir electricidad. Por consiguiente, la tracción eléctrica se utiliza en sistemas urbanos, en líneas de alto tráfico y en trenes de alta velocidad.

Las locomotoras diésel utilizan un motor diésel como propulsor principal . La transmisión de energía puede ser diésel-eléctrica , diésel-mecánica o diésel-hidráulica, aunque la diésel-eléctrica es la predominante. Las locomotoras electrodiésel están diseñadas para funcionar como diésel-eléctricas en tramos no electrificados y como eléctricas en tramos electrificados.

Entre los métodos alternativos de propulsión se incluyen la levitación magnética , la tracción animal, el cable , el sistema de cremallera y piñón , la gravedad, la neumática y la turbina de gas .

Un tren de pasajeros se detiene en las estaciones donde los pasajeros pueden subir y bajar. La supervisión del tren es responsabilidad de un guarda/jefe de tren/conductor . Los trenes de pasajeros forman parte del transporte público y a menudo constituyen la base del servicio, con autobuses que conectan con las estaciones. Los trenes de pasajeros ofrecen viajes interurbanos de larga distancia, viajes diarios para viajeros habituales o servicios de transporte urbano local , operando con una diversidad de vehículos, velocidades, requisitos de derecho de vía y frecuencia de servicio (en Europa, los operadores utilizan categorías de trenes según corresponda). Las frecuencias de servicio suelen expresarse como un número determinado de trenes por hora. Los trenes de pasajeros generalmente se pueden dividir en dos tipos de operación: ferrocarril interurbano y transporte intraurbano. Mientras que el ferrocarril interurbano implica velocidades más altas, rutas más largas y menor frecuencia (generalmente programada), el transporte intraurbano implica velocidades más bajas, rutas más cortas y mayor frecuencia (especialmente durante las horas punta). ^{[ 63 ]}

Los trenes interurbanos son trenes de larga distancia que operan con pocas paradas entre ciudades. Los trenes suelen tener comodidades como un vagón restaurante . Algunas líneas también ofrecen servicios nocturnos con vagones cama . Algunos trenes de larga distancia tienen un nombre específico . Los trenes regionales son trenes de media distancia que conectan las ciudades con áreas periféricas o circundantes, o brindan servicio regional, haciendo más paradas y viajando a velocidades más bajas. Los trenes de cercanías dan servicio a los suburbios de las áreas urbanas, proporcionando un servicio de transporte diario . Los enlaces ferroviarios con los aeropuertos proporcionan acceso rápido desde los centros de las ciudades a los aeropuertos .

El tren de alta velocidad es un tipo de tren interurbano que opera a velocidades mucho mayores que los ferrocarriles convencionales, con límites que suelen oscilar entre los 200 y los 350 kilómetros por hora (120 y 220 mph) . Los trenes de alta velocidad se utilizan principalmente para el transporte de larga distancia, y la mayoría de los sistemas se encuentran en Europa Occidental y Asia Oriental. Los trenes de levitación magnética, como el tren maglev de Shanghái, utilizan imanes que se adhieren a la parte inferior de la vía, y esta línea ha alcanzado velocidades máximas algo superiores en su funcionamiento diario que los ferrocarriles de alta velocidad convencionales, aunque solo en distancias cortas. Debido a sus mayores velocidades, los trazados de las rutas de alta velocidad tienden a tener curvas más amplias que los ferrocarriles convencionales, pero pueden presentar pendientes más pronunciadas que los trenes, con mayor energía cinética, pueden superar con mayor facilidad. 

La alta energía cinética se traduce en mayores relaciones potencia-tonelada (por ejemplo, 20 caballos de fuerza por tonelada corta o 16 kilovatios por tonelada ); esto permite que los trenes aceleren y mantengan velocidades más altas y superen pendientes pronunciadas a medida que el impulso se acumula y se recupera en las bajadas (reduciendo así los requisitos de excavación y construcción de túneles). Dado que las fuerzas laterales actúan en las curvas, estas se diseñan con el mayor radio posible. Todas estas características son radicalmente diferentes de las de las operaciones de carga, lo que justifica la construcción de líneas ferroviarias exclusivas de alta velocidad si resulta económicamente viable. ^{[ 63 ]}

Los servicios ferroviarios de alta velocidad son servicios interurbanos con velocidades máximas superiores a las de los trenes interurbanos convencionales, pero inferiores a las de los trenes de alta velocidad. Estos servicios se prestan tras mejoras en la infraestructura ferroviaria convencional que permiten la circulación segura de trenes a velocidades más elevadas.

Los trenes de carga transportan mercancías utilizando vagones especializados para cada tipo de mercancía. Son muy eficientes, con economías de escala y alta eficiencia energética. ^{[ 64 ]} Sin embargo, la falta de flexibilidad puede limitar su uso si se requiere transbordo en ambos extremos del trayecto debido a la falta de vías férreas en los puntos de recogida y entrega. Las autoridades suelen fomentar el uso del transporte ferroviario de carga por su eficiencia y para reducir el tráfico por carretera. ^{[ 65 ]}

Los trenes de contenedores se han popularizado para el transporte de mercancías en general, especialmente en Norteamérica, donde el apilamiento doble reduce los costes. Los contenedores se pueden transbordar fácilmente entre otros modos de transporte, como barcos y camiones, y en cambios de ancho de vía . Los contenedores han sustituido al vagón cerrado , en el que la carga debía cargarse y descargarse del tren manualmente. La contenerización intermodal de la carga ha revolucionado la industria de la logística de la cadena de suministro , reduciendo significativamente los costes de envío. En Europa, el vagón de paredes deslizantes ha sustituido en gran medida a los vagones cubiertos convencionales . Otros tipos de vagones incluyen vagones frigoríficos , vagones para ganado y autoracks para vehículos de carretera. Cuando el ferrocarril se combina con el transporte por carretera, un roadrailer permite que los remolques se suban al tren, facilitando una transición sencilla entre la carretera y el ferrocarril.

La manipulación de carga a granel representa una ventaja clave para el transporte ferroviario. Los bajos o incluso nulos costos de transbordo, junto con la eficiencia energética y los bajos costos de inventario, permiten que los trenes transporten carga a granel de forma mucho más económica que por carretera. La carga a granel típica incluye carbón, mineral, granos y líquidos. La carga a granel se transporta en vagones abiertos , vagones tolva y vagones cisterna .

El transporte rápido o transporte público masivo (MRT) o ferrocarril pesado, ^{[ 67 ] [ 68 ]} comúnmente conocido como metro, es un tipo de transporte público de alta capacidad que generalmente se construye en áreas urbanas . Una línea de transporte rápido separada del nivel del suelo que corre bajo el nivel del suelo a través de un túnel a menudo se llama metro, metro o subterráneo. ^{[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]} A veces están separados del nivel del suelo en ferrocarriles elevados , en cuyo caso algunos se denominan trenes elevados (el trains) o skytrains. Los sistemas de transporte rápido suelen ser ferrocarriles eléctricos que, a diferencia de los autobuses o tranvías, operan en una vía exclusiva , a la que no pueden acceder peatones ni otros vehículos. ^{[ 73 ]}

Los servicios modernos de los sistemas de transporte rápido se prestan en líneas designadas entre estaciones , generalmente mediante unidades múltiples eléctricas sobre vías férreas . Algunos sistemas utilizan neumáticos de caucho guiados , levitación magnética ( maglev ) o monorraíl . Las estaciones suelen tener andenes altos sin escalones en el interior de los trenes, lo que requiere trenes diseñados a medida para minimizar los espacios entre el tren y el andén. Generalmente están integrados con otros medios de transporte público y a menudo son operados por las mismas autoridades de transporte público . Algunos sistemas de transporte rápido tienen intersecciones a nivel entre una línea de transporte rápido y una carretera o entre dos líneas de transporte rápido. ^{[ 74 ]}

El primer sistema de transporte rápido del mundo fue el Metropolitan Railway, parcialmente subterráneo , que se inauguró en 1863 utilizando locomotoras de vapor y ahora forma parte del metro de Londres . ^{[ 75 ]} En 1868, Nueva York inauguró el West Side and Yonkers Patent Railway elevado , inicialmente una línea de tracción por cable que utilizaba máquinas de vapor estacionarias .

A partir de 2021China tiene el mayor número de sistemas de transporte rápido del mundo : 40 en total, ^{[ 76 ]} que operan en más de 4500 km (2800 mi) de vías , y fue responsable de la mayor parte de la expansión del transporte rápido del mundo en la década de 2010. ^{[ 77 ] [ 78 ] [ 79 ]} El sistema de transporte rápido de un solo operador más largo del mundo por longitud de ruta es el Metro de Shanghái . ^{[ 80 ] [ 81 ]} El mayor proveedor de servicios de transporte rápido del mundo por número de estaciones (472 estaciones en total) ^{[ 82 ]} es el Metro de la Ciudad de Nueva York . Los sistemas de transporte rápido más concurridos del mundo por número anual de pasajeros son el Metro de Shanghái, el sistema de metro de Tokio , el Metro de Seúl y el Metro de Moscú .    

Las vías férreas se construyen sobre terrenos propiedad de la compañía ferroviaria o arrendados por ella. Debido a la conveniencia de mantener pendientes moderadas, en terrenos montañosos o con colinas, las vías suelen tenderse en rutas sinuosas. La longitud de la ruta y los requisitos de pendiente pueden reducirse mediante el uso de trincheras , puentes y túneles alternados  , lo que puede aumentar considerablemente la inversión necesaria para desarrollar una vía férrea, a la vez que reduce significativamente los costos operativos y permite mayores velocidades en curvas de radio amplio. En zonas densamente urbanizadas, a veces las vías férreas se construyen en túneles para minimizar el impacto en las propiedades existentes.

Izquierda: Desvíos ferroviarios; Derecha: La caja de control de la Autoridad de Tránsito de Chicago guía las líneas elevadas 'L' de Chicago en dirección norte y sur, moradas y marrones , que se cruzan con las líneas rosas y verdes en dirección este y oeste y la línea naranja en bucle sobre la intersección de las calles Wells y Lake en el bucle en una vía elevada .

La vía férrea consta de dos rieles de acero paralelos, anclados perpendicularmente a elementos llamados traviesas (o durmientes) de madera, hormigón, acero o plástico para mantener una distancia constante entre ellos, o ancho de vía . También son posibles otras variantes, como la "vía sobre losa", en la que los rieles se fijan a una base de hormigón que descansa sobre una subsuperficie preparada.

Los anchos de vía se clasifican generalmente en ancho de vía estándar (utilizado en aproximadamente el 70 % de las líneas ferroviarias existentes en el mundo), ancho de vía ancho y ancho de vía estrecho . ^{[ 83 ]} Además del ancho de vía, las vías se tenderán de acuerdo con un gálibo de carga que define la altura y el ancho máximos para los vehículos ferroviarios y sus cargas para garantizar el paso seguro a través de puentes, túneles y otras estructuras.

La vía guía las ruedas cónicas con pestañas, manteniendo los vagones sobre la vía sin necesidad de dirección activa, lo que permite que los trenes sean mucho más largos que los vehículos de carretera. Los raíles y las traviesas suelen colocarse sobre una base de tierra compactada, sobre la cual se coloca una capa de balasto para distribuir la carga de las traviesas y evitar que la vía se deforme a medida que el terreno se asienta con el tiempo bajo el peso de los vehículos que circulan por encima.

El balasto también sirve como sistema de drenaje. En algunas zonas especiales, las vías más modernas se instalan directamente sin balasto. Las vías pueden ser prefabricadas o ensambladas in situ. Al soldar los raíles para formar tramos continuos , se reduce el desgaste adicional del material rodante causado por la pequeña separación entre las juntas; además, esto contribuye a un viaje más silencioso.

En las curvas, el carril exterior puede estar a mayor altura que el interior. Esto se denomina peralte o inclinación . Esto reduce las fuerzas que tienden a desplazar la vía, lo que resulta en un viaje más cómodo para el ganado y para los pasajeros, ya sea de pie o sentados. Un peralte determinado es más efectivo dentro de un rango limitado de velocidades.

Los desvíos , también conocidos como agujas , son los medios para dirigir un tren hacia un tramo de vía divergente. Construidos de forma similar a la vía normal, un desvío suele constar de una rana (cruce común), carriles de retención y dos carriles de cambio. Estos carriles pueden moverse hacia la izquierda o hacia la derecha mediante el sistema de señalización para determinar la trayectoria que seguirá el tren.

Las puntas de las traviesas de madera pueden aflojarse con el tiempo, pero las traviesas agrietadas o podridas pueden reemplazarse individualmente con traviesas de madera nuevas o con sustitutos de hormigón. Las traviesas de hormigón también pueden agrietarse o partirse, y pueden reemplazarse individualmente. Si los rieles se asientan debido al hundimiento del terreno, pueden levantarse con maquinaria especializada y se puede compactar balasto adicional debajo de las traviesas para nivelar los rieles.

Periódicamente, es necesario retirar el balasto y reemplazarlo por balasto limpio para garantizar un drenaje adecuado. Las alcantarillas y otros conductos de agua deben mantenerse despejados para evitar que el agua se estanque en la vía férrea, provocando deslizamientos de tierra. Cuando las vías férreas se ubican a lo largo de ríos, generalmente se instala protección adicional para prevenir la erosión de las riberas durante las crecidas. Los puentes requieren inspección y mantenimiento, ya que están sujetos a grandes picos de tensión en un corto período de tiempo cuando un tren pesado los cruza.

El uso de diferentes anchos de vía en distintas regiones del mundo, e incluso dentro del mismo país, puede dificultar el transporte de pasajeros y mercancías. A menudo se instalan complejos mecanismos de transferencia en los puntos de encuentro de dos líneas con anchos de vía diferentes para facilitar el tránsito entre ellas . Países con múltiples anchos de vía en uso, como India y Australia , han invertido considerablemente en la unificación de sus redes ferroviarias. China está desarrollando un moderno puente terrestre euroasiático para el transporte ferroviario de mercancías a Europa Occidental.

La inspección del equipo ferroviario es fundamental para la seguridad de los trenes. En las redes ferroviarias de todo el mundo se utilizan diversos tipos de detectores de defectos . Estos dispositivos emplean tecnologías que van desde simples interruptores y paletas hasta escaneo infrarrojo y láser, e incluso análisis de audio ultrasónico . Su uso ha contribuido a evitar numerosos accidentes ferroviarios durante los 70 años que llevan en funcionamiento.

La señalización ferroviaria es un sistema utilizado para controlar el tráfico ferroviario de forma segura y prevenir colisiones entre trenes. Al ser guiados por raíles fijos que generan baja fricción, los trenes son particularmente susceptibles a las colisiones, ya que suelen circular a velocidades que no les permiten detenerse rápidamente ni dentro del alcance visual del conductor. Los vehículos de carretera, que experimentan un mayor nivel de fricción entre sus neumáticos y la superficie de la carretera, tienen distancias de frenado mucho más cortas. La mayoría de los sistemas de control de trenes implican la transferencia de la autorización de movimiento de los responsables de cada tramo de la red ferroviaria a la tripulación del tren. No todos los métodos requieren señales, y algunos sistemas son específicos para vías férreas de vía única .

El proceso de señalización se lleva a cabo tradicionalmente en una caseta de señales , un pequeño edificio que alberga el panel de palancas que utiliza el señalero para accionar los desvíos y el equipo de señalización. Estas casetas se ubican a intervalos regulares a lo largo de la vía férrea, controlando secciones específicas de la misma. Los avances tecnológicos más recientes han vuelto superflua esta doctrina operativa, centralizando las operaciones de señalización en salas de control regionales. Esto se ha visto facilitado por el mayor uso de computadoras, que permiten supervisar grandes secciones de vía desde una sola ubicación. El método común de señalización por bloques divide la vía en zonas, protegidas por combinaciones de señales de bloqueo, reglas operativas y dispositivos de control automático, de modo que solo un tren puede estar en un bloque a la vez.

El sistema de electrificación suministra energía eléctrica a los trenes, lo que les permite operar sin un motor a bordo. Esto reduce los costos operativos, pero requiere grandes inversiones de capital a lo largo de las líneas. Los sistemas de trenes de cercanías y tranvías suelen tener catenarias, que cuelgan de postes a lo largo de la vía. El transporte rápido a desnivel a veces utiliza un tercer carril a nivel del suelo .

La energía puede suministrarse como corriente continua (CC) o corriente alterna (CA). Los voltajes de CC más comunes son 600 y 750  V para sistemas de tranvía y transporte rápido, y 1500  y 3000  V para líneas principales. Los dos sistemas de CA predominantes son 15  kV y 25  kV .

Una estación de ferrocarril sirve como área donde los pasajeros pueden subir y bajar de los trenes. Una estación de mercancías es un patio que se utiliza exclusivamente para la carga y descarga de mercancías. Las grandes estaciones de pasajeros tienen al menos un edificio que ofrece servicios a los pasajeros, como venta de billetes y servicio de comidas. Las estaciones más pequeñas generalmente constan solo de un andén . Las primeras estaciones a veces se construían con instalaciones tanto para pasajeros como para mercancías. ^{[ 84 ]}

Los andenes facilitan el acceso a los trenes y están conectados mediante pasos subterráneos , pasarelas peatonales y pasos a nivel . Algunas estaciones grandes se construyen como calles sin salida , con trenes que solo salen en una dirección. Las estaciones más pequeñas suelen dar servicio a zonas residenciales locales y pueden conectar con servicios de autobuses de enlace. Las estaciones grandes, en particular las centrales , funcionan como el principal centro de transporte público de la ciudad y ofrecen transbordos entre los servicios ferroviarios y los de transporte rápido, tranvía o autobús.

Desde la década de 1980, se ha observado una creciente tendencia a la división de las compañías ferroviarias, separando a las propietarias del material rodante de las propietarias de la infraestructura. Esto es especialmente cierto en Europa, donde la Unión Europea exige esta estructura. Esto ha permitido que cualquier operador ferroviario acceda a cualquier tramo de la red ferroviaria europea. En el Reino Unido, la vía férrea es de propiedad estatal, con un organismo público ( Network Rail ) que la gestiona, mantiene y desarrolla, mientras que las compañías operadoras de trenes operan los trenes desde la privatización en la década de 1990. ^{[ 85 ]}

En Estados Unidos, prácticamente todas las redes e infraestructuras ferroviarias fuera del corredor noreste son propiedad privada de las líneas de carga. Las líneas de pasajeros, principalmente Amtrak , operan como arrendatarias en las líneas de carga. En consecuencia, las operaciones deben estar estrechamente sincronizadas y coordinadas entre los ferrocarriles de carga y de pasajeros, y los trenes de pasajeros suelen ser despachados por el ferrocarril de carga anfitrión. Debido a este sistema compartido, ambos están regulados por la Administración Federal de Ferrocarriles (FRA) y pueden seguir las prácticas recomendadas por AREMA para trabajos en vía y las normas AAR para vehículos. ^{[ 63 ]}

La principal fuente de ingresos de las compañías ferroviarias proviene de la venta de billetes (para el transporte de pasajeros) y de las tarifas de envío de carga. ^{[ 86 ] [ 87 ]} En ocasiones, se ofrecen descuentos y abonos mensuales para viajeros frecuentes (por ejemplo, abonos de temporada y pases de tren ). Los ingresos por transporte de mercancías pueden venderse por espacio para contenedores o por tren completo. A veces, el remitente es propietario de los vagones y solo alquila el transporte. En el transporte de pasajeros, los ingresos por publicidad pueden ser significativos.

Los gobiernos pueden optar por subvencionar las operaciones ferroviarias, dado que el transporte ferroviario genera menos externalidades que otros modos de transporte predominantes. Si la compañía ferroviaria es estatal, el Estado puede proporcionar subvenciones directas a cambio de un aumento de la producción. Si las operaciones se han privatizado, existen varias opciones. Algunos países cuentan con un sistema en el que la infraestructura es propiedad de una agencia o empresa gubernamental, con acceso libre a las vías para cualquier empresa que cumpla con los requisitos de seguridad. En estos casos, el Estado puede optar por proporcionar las vías de forma gratuita o mediante el pago de una tasa que no cubra todos los costes. Esto se considera análogo a la concesión de acceso gratuito a las carreteras por parte del gobierno. Para las operaciones de pasajeros, se puede abonar una subvención directa a un operador de propiedad pública, o bien convocar una licitación pública y adjudicar un contrato por tiempo limitado al licitador con la oferta más baja. El total de subvenciones ferroviarias de la UE ascendió a 73.000  millones de euros en 2005. ^{[ 88 ]}

Via Rail Canada y el servicio ferroviario de pasajeros estadounidense Amtrak son compañías ferroviarias privadas autorizadas por sus respectivos gobiernos nacionales. A medida que los servicios privados de pasajeros disminuyeron debido a la competencia de los automóviles y las aerolíneas, se convirtieron en accionistas de Amtrak, ya sea pagando una cuota de entrada en efectivo o cediendo sus locomotoras y material rodante. El gobierno subsidia a Amtrak proporcionando capital inicial y compensando las pérdidas al final del año fiscal . ^{[ 89 ]}

Algunos trenes viajan más rápido que los vehículos terrestres. Son pesados ​​y no pueden desviarse de la vía, y tienen mayores distancias de frenado. Los posibles accidentes incluyen descarrilamientos (salida de la vía), colisiones con otros trenes o vehículos terrestres y colisiones con peatones en pasos a nivel, que representan la mayoría de los accidentes ferroviarios y las víctimas. Para minimizar el riesgo, las medidas de seguridad más importantes son las normas operativas estrictas (por ejemplo, la señalización ferroviaria ) y las barreras o pasos a desnivel en los cruces. Los silbatos , campanas o bocinas de los trenes advierten de la presencia de un tren, mientras que las señales en la vía mantienen las distancias entre trenes. Otro método utilizado para aumentar la seguridad es la instalación de puertas de andén para separar el andén de las vías. Estas impiden las incursiones no autorizadas en las vías, que pueden provocar accidentes con lesiones graves o la muerte, y también ofrecen otros beneficios, como evitar la acumulación de basura en las vías, que puede suponer un riesgo de incendio.

En muchas redes interurbanas de alta velocidad, como el Shinkansen japonés , los trenes circulan por vías exclusivas sin pasos a nivel. Este es un elemento importante para la seguridad del sistema, ya que elimina eficazmente el riesgo de colisiones con automóviles, otros vehículos o peatones, y reduce considerablemente la probabilidad de colisiones con otros trenes. Otra ventaja es que los servicios en la red interurbana se mantienen puntuales.

Como cualquier infraestructura , los ferrocarriles deben someterse a inspecciones y mantenimiento periódicos para minimizar el impacto de fallas que puedan interrumpir las operaciones de transporte de mercancías y los servicios de pasajeros. Dado que los pasajeros se consideran la carga más importante y suelen viajar a mayor velocidad, con pendientes más pronunciadas y mayor capacidad/frecuencia, sus líneas son especialmente importantes. Las prácticas de inspección incluyen el uso de vagones para verificar la geometría de la vía o la inspección a pie. El mantenimiento de las curvas, especialmente para los servicios de transporte público, incluye el ajuste del ancho de vía, el apriete de los sujetadores y el reemplazo de rieles.

La ondulación de los rieles es un problema común en los sistemas de transporte público debido a la gran cantidad de pasos de ruedas de ejes ligeros, lo que provoca el desgaste de la interfaz rueda/riel. Dado que el mantenimiento puede coincidir con las operaciones, se deben respetar estrictamente las ventanas de mantenimiento (horas nocturnas, horas de menor demanda o modificaciones en los horarios o rutas de los trenes). Además, la seguridad de los pasajeros durante los trabajos de mantenimiento (vallado entre vías, almacenamiento adecuado de materiales, avisos de trabajos en la vía, riesgos de los equipos cerca de las vías) debe considerarse en todo momento. En ocasiones, pueden surgir problemas de acceso para el mantenimiento debido a túneles, estructuras elevadas y zonas urbanas congestionadas. En estos casos, se utilizan equipos especializados o versiones más pequeñas de los equipos de mantenimiento convencionales. ^{[ 63 ]}

A diferencia de las autopistas o redes viales , donde la capacidad se desagrega en viajes no vinculados a través de segmentos de ruta individuales, la capacidad ferroviaria se considera fundamentalmente un sistema de red. Como resultado, muchos componentes son causas y efectos de las interrupciones del sistema. El mantenimiento debe tener en cuenta la amplia gama de rendimiento de una ruta (tipo de servicio de tren, origen/destino, impactos estacionales), la capacidad de una línea (longitud, terreno, número de vías, tipos de control de trenes), el rendimiento de los trenes (velocidades máximas, tasas de aceleración/desaceleración) y las características del servicio con vías compartidas de pasajeros y carga (apartamentos, capacidades de las terminales, rutas de maniobra y tipo de diseño). ^{[ 63 ]}

El transporte ferroviario es un medio de transporte terrestre mecanizado eficiente en energía ^{[ 92 ]} pero intensivo en capital ^{[ 93 ]} . Las vías proporcionan superficies lisas y duras sobre las que las ruedas del tren ruedan con una fricción relativamente baja.

Un vagón moderno típico puede transportar hasta 113 toneladas (125 toneladas cortas) de carga en dos bogies de cuatro ruedas . La vía distribuye el peso del tren de manera uniforme, lo que permite cargas significativamente mayores por eje y rueda que en el transporte por carretera, lo que se traduce en una mayor eficiencia energética. Los trenes tienen una superficie frontal menor en relación con la carga que transportan, lo que reduce la resistencia del aire y, por lo tanto, el consumo de energía.

Además, la presencia de vías que guían las ruedas permite que trenes muy largos sean remolcados por una o pocas locomotoras y conducidos por un solo operario, incluso en curvas, lo que posibilita economías de escala tanto en mano de obra como en consumo de energía; por el contrario, en el transporte por carretera, más de dos articulaciones provocan derrapes y hacen que el vehículo sea inseguro.

Considerando únicamente la energía gastada para mover los medios de transporte y utilizando el ejemplo del área urbana de Lisboa , los trenes eléctricos parecen ser, en promedio, 20 veces más eficientes que los automóviles para el transporte de pasajeros cuando la energía se mide por pasajero-kilómetro, asumiendo índices de ocupación similares. ^{[ 94 ]} Considerando un automóvil con un consumo de alrededor de 6 L/100 km (47 mpg _{- imp} ; 39 mpg _{- EE. UU.} ) de combustible, el automóvil promedio en Europa tiene una ocupación de alrededor de 1,2 pasajeros por automóvil (índice de ocupación de alrededor del 24 %) y que un litro de combustible equivale a unos 8,8 kWh (32 MJ) , lo que equivale a un promedio de 441 Wh (1590 kJ) por pasajero-km. Esto se compara con un tren moderno con una ocupación media del 20 % y un consumo de aproximadamente 8,5 kW⋅h/km (31 MJ/km; 13,7 kW⋅h/mi) , lo que equivale a 21,5 Wh (77 kJ) por pasajero-km, 20 veces menos que el automóvil.             

Debido a estos beneficios, el transporte ferroviario es una forma importante de transporte de pasajeros y mercancías en muchos países. ^{[ 93 ]} Es omnipresente en Europa, con una red integrada que cubre prácticamente todo el continente. En India, China, Corea del Sur y Japón, millones de personas utilizan el tren como medio de transporte habitual. En Norteamérica, el transporte ferroviario de mercancías está muy extendido y es muy utilizado, pero el transporte ferroviario interurbano de pasajeros es relativamente escaso fuera del Corredor Noreste , debido a una mayor preferencia por otros modos de transporte, en particular los automóviles y los aviones. ^{[ 89 ] [ 95 ]} Sin embargo, la implementación de métodos nuevos y mejorados, como facilitar el acceso dentro de los barrios, puede ayudar a reducir el uso de vehículos privados y aviones por parte de los viajeros. ^{[ 96 ]}

Sudáfrica, el norte de África y Argentina cuentan con extensas redes ferroviarias, pero algunas líneas en otras partes de África y Sudamérica son aisladas. Australia tiene una red generalmente escasa, acorde con su densidad de población, pero cuenta con algunas áreas con redes importantes, especialmente en el sureste. Además de la línea transcontinental este-oeste existente en Australia, se ha construido una línea norte-sur. El ferrocarril más alto del mundo es el que va a Lhasa , en el Tíbet, ^{[ 97 ]} que discurre parcialmente sobre territorio de permafrost. Europa Occidental tiene la mayor densidad ferroviaria del mundo, y muchos trenes allí operan a través de varios países a pesar de las diferencias técnicas y organizativas entre las redes nacionales.

Un estudio de 2018 encontró que la apertura del metro de Pekín causó una reducción en "la mayoría de las concentraciones de contaminantes del aire (PM _2.5 , PM ₁₀ , SO ₂ , NO ₂ , y CO) pero tuvo poco efecto en la contaminación por ozono". ^{[ 122 ]}

Los economistas del desarrollo europeos han argumentado que la existencia de una infraestructura ferroviaria moderna es un indicador significativo del progreso económico de un país: esta perspectiva se ilustra notablemente a través del Índice Básico de Infraestructura de Transporte Ferroviario (conocido como Índice BRTI). ^{[ 123 ]}