CHAPITRE VI

I. — Matériel, traction et vitesse. — Les chcinins de fer sont (les voies munies de rails, réservées à la circulalion de trains à traction mécanique. On donne le nom de tramiraijs à des voies analogues, mais dont la plate-forme, au lieu d"être isolée, reste accessible à la circulation des voitures ordinaires et des piétons ; les véhicules qui les parcourent sont souvent tramés par des chevaux.

Malgré la séparation complète que les définitions que nous venons de donner et la législation française actuelle établissent entre ces deux catégories de voies, il est indispensable de les étudier simultanément. Il n'existe en efTet et ne peut exister entre elles aucune distinction al)Solue. Le fait que la voie ferrée est posée sur une voie publique carrossable entraîne bien quelques particularités, au point de vue de la police de la circulation ; il ne transforme nullement l'organisation générale du service. Beaucou"p de lignes ont même un caractère mixte, étant établies tantôt sur une plate-forme indépendante, tantôt sur une voie qui reste ouverte à la circulation ordinaire ; on est obligé, avec notre législation, de les classer comme chemin de fer ou comme tramway, selon que l'un ou l'autre de ces modes d'établissement est prépondérant. La vérité, c'est qu'on devrait supprimer une distinction légale qui repose sur un caractère purement accessoire.

Le caractère essentiel commun à toutes les voies ferrées, c'esl la ïcioiion iiéccssaire dans les mê)nei! mains de la gestion

de la voie et du service des transports. On avait bien songé au début, en Angleterre, à ouvrir ces voies aux véliicules mis en circulation par tous les entrepreneurs de transports. On n'a pas tardé à reconnaître que, pour organiser un service au moyen de véhicules assujettis à suivre sans en sortir une voie sur laquelle ils ne doivent jamais ni se rencontrer, ni se rejoindre en pleine vitesse, une organisation unique, réglant la marche de chaque train et disposant seule de tout un ensemble de signaux et d'appareils de sécurité, s'imposait absolument, et que le détenteur de cette organisation serait nécessairement investi d'un monopole ou d'un quasi-monopole pour le service des transports. On peut bien autoriser une seconde entreprise à emprunter les rails de la première dans des conditions spéciales et en se soumettant à tous ses règlements ; on ne peut jamais admettre le public à utiliser la voie qu'en recourant aux services de l'entreprise unique qui l'exploite, ou des deux ou trois entreprises qui la desservent de concert en vertu d'une organisation soumise à une direction unique. C'est cette fusion presque absolue du service du transport avec le service de la voie, entraînant celle du prix du transport proprement dit avec le péage, qui domine tout le régime des voies ferrées et donne à son étude un caractère tout spécial.

L'idée de munir des voies de rails^ pour réduire la résistance au roulement des véhicules, est assez ancienne ; elle a commencé à recevoir des applications multiples au commencement de ce siècle, en même temps que la machine à vapeur. Dès 1814^ Stephenson avait combiné ces deux inventions et construit une véritable locomotive, c'est-à-dire une machine à vapeur mobile, avançant grâce àVadhérence, sur les rails, des roues molrices mises en mouvement par la tige du piston, l/invention de la chaudière tabulaire par Marc Séguin permit de donner à cette machine une puissance bien plus grande, en même temps que le tirage était activé par V échappement de la capeur dans la cheminée. f.;i coinliinaison de ces trois principes

dans la Fusée, construite en 1829 par Slephenson pour le chemin de fer de Liverpool à Manchester, en fit la première des locomotives modernes ; elle pesait \ tonnes et pouvait traîner 13 tonnes en palier, à la vitesse de 22 kilomètres.

La force des machines en usage s'est singulièrement développée depuis lors. Mais les avantages essentiels de remploi des chemins de fer sont restés les mêmes, savoir : 1° la réduction de la résistance, par le roulement sur une surface dure et lisse ; 2° la possibilité d'employer à la traction des machines puissantes et rapides, obtenue en guidant les roues sur un parcours où ne se rencontre aucun ressaut brusque, ni en plan, ni en profil.

Dans l'étude de tout système de transport, le premier élément à envisager est Ye/fort de Iraction nécessaire pour déplacer un poids déterminé.

Sur les chemins de fer, dans les alignements droits, cet effort est donné comme sur les routes (voir p. 104), par la formule F = ('■ + ') P- En général, on exprime la force F en kilogrammes et le poids remorqué P en tonnes ; r est alors le nombre de kilogrammes de force nécessaire pour traîner un poids d'une tonne sur une voie ferrée horizontale, et i la rampe exprimée en millièmes, c'est-à-dire le nombre de millimètres dont on s'élève par mètre parcouru.

D'après le cours de chemins de fer professé à l'Ecole des Ponts cl Chaussées, on peut donner sur la résistance des trains les indications pratiques suivantes:

En palier, avec une vitesse de 2a à 35 kilomètres à l'heure, qui est en France la vitesse ordinaire des trains de marchandises non accélérés, l'effort de traction par tonne /■ descend en moyenne à 3 ou 4 kilogrammes, tandis que, sur les routes, nons avons admis qu'il est généralement compris entre 20 et 30 kg. Ainsi, l'effort à faire, pour déplacer un même poids, est de 5 à 10 fois moindre sur un cliemin de fer que sur une route.

Mais, comme une .même rampe, i, augmente cet effort d'une même quantité sur les deux voies, l'avantage du chemin de fer va en s'atténuant à mesure que la rampe s'accentue et que par suite son influence devient prépondérante dans la détermination de l'effort total. Avec une rampe de 10 millimètres par mèlrc, l'effort de traction sur un chemin de fer est de 13 à 14 kilogr. par tonne, quadruple de ce qu'il est en palier; il atteint ou dépasse déjà le tiers de l'effort à faire sur une route de même inclinaison, qui serait de 30 à 40 kilogrammes. A 30 millimètres de rampe, la résistance par tonne, sur le chemin de fer, est huit ou dix fois plus grande qu'en palier ; elle est supérieure à la moitié du chitïre de 50 à GO kilogrammes auquel on arriverait sur une route. Au delà, l'avantage de la voie ferrée par rapport à une route deviendrait négligeable, en ce qui concerne la dépense de force. On ne dépasse d'ailleurs presque jamais cette limite dans le tracé des chemins de fer qui doivent être exploités au moyen de locomotives à vapeur; dans quelques cas très exceptionnels seulement, on a été jusqu'à des rampes de 40 et même 45 pour 1000.

Au delà de ce degré d'inclinaison, on est obligé de substituer à la locomotive ordinaire un autre mode de traction ; l'adhérence des roues motrices sur la voie ferrée, qui varie suivant l'état des rails, entre le quart et le dixième du poids dont ces roues sont chargées, ne serait plus suffisante pour faire avancer un train, même 1res léger, et elles patineraient sur place. Avec la traction électrique, en employant à peu près uniquement des voitures automotrices, on peut aller jusqu'àSO ou même 100 millimètres par mètre. Il existe, il est vrai, des chemins de fer à pentes infiniment plus rapides, atteignant 33 p. 100 ou même 50 p. 100, mais ils sont mus par des appareils à crémaillère ou par un système de traction funiculaire ; la voie ferrée n'est plus là que pour guider le véhicule dans sa marche, la résistance due au frottement devenant négligeable par rapport à l'effort nécessaire pour faire monter le train. CoLSON. — Transports et Tarifs. 22.

i'our apprécier la résisLance que présentent les trains sur une ligne, il ne suffit pas de tenir compte du profil, il faut aussi connaître le tracé en plan. Les courbes augmentent en elTct la résistance à vaincre, en raison de l'augmentation du frottement due à la rigidité du matériel. Leur influence dépend beaucoup de la largeur de la voie et de la longueur comprise entre les essieux, puisque ce sont ces éléments qui déterminent la surface du quadrilatère formé par les roues à inscrire dans une courbe. On appelle voie normale la voie usitée pour les grandes lignes dans la plupart des pays, qui présente une largeur de 1 m. 44 entre les bords intérieurs des rails. Sur cette voie, avec le matériel ancien comportant une distance de 4 à 6 mètres entre les essieux parallèles, une courbe de 750 mètres de rayon augmente l'eirort par tonne d'environ 1 kilogramme, par rapport à ce qu'il serait en alignement droit; une courbe de 375 mètres l'augmente de 2 kilogrammes et une courbe de 250 mètres de 3 kilogr. On ne descend guère au-dessous de ce dernier rayon pour les courbes situées en pleine voie, qui doivent être franchies par des trains lancés à toute vitesse.

Pour pouvoir allonger les voitures et wagons sans rendre impossible le passage dans les courbes, on emploie des véhicules à ^or^îcs, portés à chaque extrémité par un petit chariot à quatre roues, mobile par rapport au châssis autour d'un axe vertical.

On facilite également le passage dans les courbes en construisant des lignes à voie étroite. Avec une largeur de 1 mètre seulement entre les rails, on peut admettre des courbes de 100 mètres de rayon sans plus d'inconvénients que des courbes de 300 mètres avec la voie normale.

En dehors des conditions d'établissement de chaque ligne, la vitesse des trains exerce une certaine influence sur l'effort de traction nécessaire, en raison des chocs dus aux inégalités de la voie et surtout en raison de la résistance de l'air. Aux vitesses en usage pour les trains de marchandises, cette résis-

tance est presque nT-gligeable; mais, comme la résistc,nce de l'eau au mouvement des bateaux, elle croît avec la vitesse dans une proportion bien plus grande que celle-ci, de sorte qu'elle finit par exercer une influence sensible : à une vitesse de 50 à 60 kilomètres à Theure, l'eilort à faire pour déplacer en palier un même train serait augmenté d'au moins un kilogramme par tonne ; il serait doublé à la vitesse de 90 ou 100 kilomètres.

Mais, en fait, ce ne sont pas les mêmes trains qui circulent aux grandes vitesses qu'aux petites. En effet, l'augmentation de vitesse n'a pas seulement pour conséquence d'augmenter l'effort à faire pour remorquer un même poids; comme le travdil mécanique que l'on peut demander dans un temps donné à une locomotive dont les dimensions sont limitées ne peut être accru que modérément, pour aller vite il faut adopter des types de machines exerçant un effort de traction beaucoup moindre, par application du principe général d'après lequel on perd en force ce que l'on gagne en vitesse. Au lieu de machines à petites roues motrices, qui vont lentement en exerçant un effort considérable, on emploie des machines à grandes roues, qui vont plus vite en traînant un poids moindre, et l'on diminue en conséquence le nombre de véiiicules des trains; seulement, comme la résistance de l'air dépend do la coupe transversale de l'objet en mouvement bien plus que de sa longueur (toujours d'après les mêmes règles que la résistance de l'eau), à mesure que le train devient plus court et par suite moins lourd, le quotient obtenu en divisant l'effort total de traction par le poids remorqué à une même vitesse devient plus grand; c'est ce qui fait que la dépense de travail, par unité de poids transportée à un kilomètre, va en augmentant beaucoup avec la vitesse.

On a réalisé dans certaines expériences, avec des trains très courts mus par l'électricité, des vitesses dépassant 200 km. à l'heure; la résistance due à l'air est alors environ quintuple de i celle qui provient des frottements divers.

Il ne faut pas oublier, d'ailleurs, que la vitesse à considérer

esl la vitesse de pleine marche, très supérieure à la vitesse moyenne, appelée vitesse commercia/e; celle-ci, en effet, dépend du nombre et de la durée des arrêts, et aussi du temps perdu à chaque arrêt pour le démarrage, d'autant plus long que le train est plus lourd et qu'il doit atteindre une vitesse plus grande. Pour les trains de voyageurs, Tarrét est aujourd'hui très rapide, car ils doivent tous être munis de freins continus, qui permettent au mécanicien d'agir sur toutes les roues à la fois en tournant la clef d'un robinet pour enrayer la marche du train. Mais le démarrage est toujours lent, parce que le travail utile produit par la force qui agit sur le piston dépend du déplacement de celui-ci, et que ce déplacement est très lent tant que les roues motrices, dont il est solidaire, n'ont pas elles-mêmes acquis une certaine vitesse.

La vitesse commerciale des trains spéciaux de marchandises est très variable selon le nombre et la durée 1° des manœuvres qu'ils ont à faire, dans les gares où ils prennent ou laissent une fraction de leur chargement, 2° des garages qu'ils ont à subir pour laisser passer les trains plus rapides.

Sur les lignes à faible trafic, le service des voyageurs et des marchandises est fait simultanément par des trains mixtes; mais, à mesure que le développement du trafic le permet, on sépare d'abord le service des voyageurs de celui des marchandises ; puis, pour les voyageurs, on distingue les trains express, desservant les relations à grande distance, des trains omnibus, desservant les relations locales. Sur les lignes suburbaines, oîi les arrêts sont très rapprochés, la vitesse commerciale de ces derniers descend généralement très bas.

La vitesse de marche des trains a été constamment en croissant. L'Angleterre, puis les Etats-Unis ont longtemps tenu la tête du progrès à cet égard; aujourd'hui, la France les devance parfois. Il y a cinquante ans, une vitesse commerciale de 50 kilomètres à l'heure était exceptionnelle. Il y a vingt-cinq ans encore, peu de trains dépassaient 60 kilomètres à l'heure. Le

tableau qui figure à côté de la carte insérée page 108 montre la durée des trajets les plus rapides sur nos principales lignes, à diverses époques. Aujourd'hui, les vitesses ordinaires sont les suivantes :

Vitesse lie marclio Vitesse çoniineri;ialo

Trains de marchandises 20 à- 40 km. » »

Trains mixtes ou de hanlieue.. 35 à 50 km. 20 à 35 km.

Trains omnibus ou directs 45 à 75 km. 30 à 55 km.

Trains express 60 à 00 km . 50 à 70 km.

Trains rapides 80 à 120 km, 65 à 90 km .

On arrive naturellement à réaliser des vitesses commerciales bien plus élevées sur les petits parcours que sur les grands, parce que ceux-ci exigent toujours quelques arrêts un peu prolongés : pour des trajets comme ceux de Paris à Nice (1100 km.), de New-York à Chicago (l.^.oO km.), on considère comme très belles des vitesses moyennes de 78 à 80 kilomètres; entre Paris et Arras (192km.), on atteint en service courant 97 à 98 kilomètres à l'heure.

Malgré ces grandes vitesses, la circulation des voyageurs présente infiniment moins de dangers sur les chemins de fer que sur les routes, comme le prouvent les chifl'rcs que nous avons donnés page 108. Eu prenant la période 1901-1900 (les statistiques antérieures sont dressées sur d'autres bases), on constate que la proportion totale des voyageurs victimes d'accidents de trains représente 6 tués et 75 blessés par 100 millions.

Le tableau ci-dessous indique le nombre moyen des accidents de toute nature constatés chaque année sur les chemins de fer dans cette période :

,,. ,. , ., Accidents Auties faits Iiiipnulonces.

Victimes des accidents de trains d'.'xploilati.m. ou cas fortuits

Voyageurs ou personnes Tués. Blessés. Tués. lUessés. T^IéT^Ukil^s.

t'trangères au chemin de fer. •13,5 330 13,3 20,5 278 161 Agents du chemin de fer. 12,2 123 8,5 28,5 234 463

ï^our réaliser les grandes vitesses exigées par les voyageurs sans trop réduire le poids des trains, on est amené à employer

3i2 CllllMINS DE FER ET TRAMWAYS

des machines de plus en plus puissantes. La même évolution se produit dans le service des marchandises par une considéralion d'économie : le rendement des macliines à vapeur est généralement d'autant meilleur que leur puissance est plus grande, et comme, d'autre part, il faut toujours un mécanicien et un chaufTeur sur chaque locomotive quelle que soit sa puissance, la dépense totale de la traction est très loin de croître proportionnellement au poids remorqué. 11 en résulte nne tendance àaccroître les dimensions etle poids des machines jusqu'à Textrême limite compatible avec le gabarit et la résistance des voies et des ouvrages d'art.

Les locomotives en usage jusque vers 1880 sur les grandes lignes étaient des machines de 350 à 4oO chevaux-vapeur, consommant environ 2 kilogrammes de charbon par cheval et par heure, soit de 8 à 23 kilogrammes par kilomètre parcouru, selon leur type ; le nombre des roues motrices sur lesquelles agit la bielle étant de une ou deux pour les machines à grande vitesse, de trois ou quatre pour les machines à marchandises, l'elTort de traction en marche atteignait environ 1.800 kilogrammes pour les premières, de 2.S00 à 3. OOOkilogrâmmes pour les dernières, et elles pouvaient donner un etTort double au démarrage. On a construit depuis lors des machines beaucoup plus puissantes, d'une part pour les trains très rapides, d'autre part pour les trains lourds de marchandises ou pour le service des lignes très accidentées. Vers 1895, on employait déjà quelques machines de 830 à 1000 chevaux; aujourd'hui on atteint couramment 1.500 chevaux et on approche de 2.000. L'etTort de traction atteint de 10.000 à 20.000 kilogrammes. Grâce à l'emploi de machines à expansion multiple, la consommation de charbon par chevalheure est descendue entre 1 kg. 2 et 1 kg. 5 (1) et c'est là une économie considérable, car le combustible représente encore, à

(1) L'écart enU'c ces chiffres et ceux que nous avons indiqués pour les bateaux à vapeur lieut surtout à ce (lue, sur ceux-ci, on peut emploj-er des machines à condensation, bien phis avantageuses que les autres.

lui seul, de 35 à 40 p. 100 des frais de toute nature de la traction, personnel et matériel réunis.

Ces puissantes machines arrivent à peser à vide 80 ou 90 tonnes, auxquelles le tender cliargé d'eau et de charbon ajoute 40 ou 50 tonnes et même plus. Par contre, sur les lignes à faible trafic, notamment sur les lignes à voie étroite, on emploie des machines-tender dont le poids descend à 20 ou 25 tonnes et TefTort de traction varie de 2.500 à i.000 kilogr.

Le poids des locomotives à vide représente environ 50 à 55 kilogr. par force de cheval. Leur prix varie naturellement dans une très large mesure avec le cours des métaux et avec l'activité des afl'aiiT^s, quoique l'amplitude des écarts soit un peu moindre que pour les navires ; on peut l'évaluer en moyenne entre 1 fr. 50 et 2 francs par kilogramme.

L'emploi deVénergie électrique transmise par des conducteurs établis le long de la voie tend à se substituer à celui des locomotives à vapeur, lorsque le nombre de trainsjustitle la dépense indépendante du trafic qu'entraîne cette installation. Il ofTre trois grands avantages : il diminue le poids mort, en dispensant de transporter avec les trains l'appareil générateur de la force motrice ; il permet d'obtenir cette force plus économiquement, en concentrant sa production dans de vastes usines oîi le personnel est mieux utilise et où la consommation de charbon par cheval et par heure dépasse à peine 1 kilogramme; enlin il supprime la solidarité qui existe aujourd'hui entre les roues motrices et le piston de l'appareil générateur de force et qui a pour conséquence de diminuer le nombre de coups de piston par minute quand une résistance exceptionnelle ralentit la marche de la machine, ce qui réduit le travail du moteur précisément quand il faudrait qu'il fût le plus intense, sur les fortes rampes ou à l'instant du démarrage des trains.

L'emploi de la traeliou électrique pour les trains lourds n'est pas encore réalisé dans des conditions parfaitement satisfaisantes. Il n'est économique, pour le service des marchandi-

ses, que dans les régions où des chutes d'eau fournissent la force motrice à très bon marché. Mais, sur les lignes urbaines ou suburbaines à voyageurs, comportant des trains multiples et légers et des démarrages incessants, la supériorité de la traction électrique est dès à présent incontestée, partout où l'on peut organiser la transmission de l'énergie le long de la voie au moyen de conducteurs aériens ou souterrains; l'emploi des accumulateurs est resté trop coûteux pour être pratique, en raison surtout de leur poids. Une voiture automotrice de tramway, comportant une cinquantaine de places, dont moitié assises, et munie de deux machines d'une force de 40 à 50 chevaux, de manière à pouvoir remorquer au besoin une autre voilure d'égale capacité ou même deux, pèse 8 à 9 tonnes, coûte environ 15.000 à 20.000 francs et n'exige qu'un mécanicien.

La vitesse commerciale obtenue sur les tramways urbains, qui ne dépasse guères 7 ou 8 kilomètres avec la traction animale, arrive à 10 ou 12 kilomètres avec les tramways électriques quand les rues ne sont pas trop encombrées ; elle peut dépasser largement ce chiffre sur une plate-forme entièrement libre. Mais, quand l'encombrement atteint un certain degré, au cœur des grandes villes on ne peut éviter une lenteur excessive qu'en créant à grands frais des chemins de fer métropolitains à voies aériennes ou souterraines. A Paris, on obtient ainsi une vitesse commerciale de 20 kilomètres, même avec 2 ou 3 arrêts par kilomètre.

Sur les grandes lignes également, la traction électrique paraît devoir rendre réalisables des vitesses sensiblement supérieures à celles des transports actuels les plus rapides.

Le matériel remorqué sur les voies ferrées ne s'est pas moins transformé, depuis une vingtaine d'années, que les engins de traction. Pour les voyageurs, l'emploi de grands wagons à couloirs permet de mettre à la disposition du public dans le train même une foule de commodités ; mais il accroît

sensiblement le poids mort, par l'étendue de la surface ne répondant pas à des places supplémentaires, et la dépense, par la complexité des installations. Pour les marchandises, l'emploi de wagons de grande capacité diminue au contraire le poids mort. Il diminue aussi la longueur des trains, en réduisant le nombre des wagons employés pour atteindre une même capacité de chargement, et par suite celui des tampons qui les séparent; or, c'est là un grand avantage, au point de vue du" développement à donner aux voies de. garage, des manœuvres, etc. Les premiers wagons employés sur les chemins de fer comportaient un chargement de 5 tonnes ou même moins. Les wagons de 10 tonnes s'y sont substitués peu à peu et constituent la plus grande partie du matériel actuel. Aujourd'hui, rem})loi de wagons pouvant porter 13, 20, 40 ou même parfois 50 tonnes se développe beaucoup pour les marchandises pondéreuses.

Le tableau ci-après donne une idée du poids mort et du prix moyen des principaux types de véhicules employés en France.

Types de véhicules.

Wayons à marchandises :

^ , , de 10 tonnes

Tombereaux \ . ,^

, , ... '. de 20 —

a houille / , ,

\ de 40 —

Wagons cou- ( de 10 tonnes

verts ( de 20 —

]'oilures à voyageurs :

Compartiments /Ire classe

séparés | 2* — (types de 1875) ( 3e —

/ luxe Matériel récent \ l'e classe à couloirs ) 2« —

Vnilure de 2^ classe pour chemin de

l'cr à voie de 1 mètre de laryour..

Voiture de remorque pour tramway. .

Poids,

Prix.

Par

tonne de

capacité :

550 kilogr.