Voie ferrée et aiguillage

Une voie ferrée est une route qui dirige les roues : deux rails maintenus à distance fixe sur des traverses, sur lesquels roulent des roues à boudin. L’aiguillage déplace deux rails effilés pour faire passer un train d’une voie à une autre. La plus ancienne voie faite pour tenir des roues est le Diolkos, chaussée pavée creusée de deux rainures à travers l’isthme de Corinthe, construite vers 600 av. J.-C. Des rails de bois servaient dans les mines d’Europe au XVIe siècle, et en 1767 une forge anglaise commença à couvrir ses rails de bois de plaques de fonte.

Ce que c’est

Une voie ferrée se compose de deux rails parallèles fixés sur des pièces transversales, les traverses, qui les tiennent à une distance constante, l’écartement. Les traverses reposent dans un lit de pierre concassée, le ballast, qui répartit la charge dans le sol et laisse s’écouler la pluie. Les roues d’un véhicule ferroviaire sont calées par paires sur leurs essieux, et chacune porte sur son bord intérieur un rebord saillant, le boudin. Le champignon du rail porte le poids, les boudins maintiennent l’essieu entre les rails, et le véhicule suit la voie sans qu’on ait à le diriger.

Un train ne pouvant pas braquer ses roues pour quitter la ligne, c’est la voie qui doit changer de direction. C’est le rôle de l’aiguillage. À un branchement, une voie se divise en deux : au départ, deux rails mobiles envoient les roues d’un côté ou de l’autre, et plus loin un croisement permet aux roues d’un itinéraire de franchir le rail de l’autre.

Comment ça marche

Une roue d’acier sur un rail d’acier roule avec très peu de résistance, ce qui permet à une seule locomotive de tirer un long train. Si l’essieu se déporte, le boudin d’une roue vient toucher le flanc intérieur du champignon et le repousse. En courbe, le rail extérieur reçoit cette poussée ; dans les courbes serrées, un contre-rail posé à l’intérieur du rail intérieur la partage.

Au début d’un branchement, deux rails extérieurs, les contre-aiguilles, continuent sans interruption. Entre eux se trouvent deux lames d’aiguille, rabotées jusqu’à une pointe fine et reliées par des tringles d’écartement qui les font bouger ensemble. Quand une lame est plaquée contre sa contre-aiguille, l’autre reste écartée de la sienne et laisse un vide assez large pour un boudin. Les roues du côté fermé sont guidées le long de la lame, les boudins de l’autre côté passent dans le vide, et tout le train prend l’itinéraire choisi. Un levier de manœuvre au bord de la voie, ou un moteur, déplace les lames par des tringles, et l’aiguillage est verrouillé dans sa position avant le passage d’un train.

Plus loin, le rail intérieur d’un itinéraire doit croiser le rail intérieur de l’autre. À ce croisement, les rails se rejoignent en une pointe en V, le cœur, bordée de chaque côté d’une lacune où passent les boudins. De l’autre côté de la voie, un contre-rail placé contre le rail opposé retient l’autre roue de l’essieu, pour que le boudin ne heurte pas la pointe et ne passe pas du mauvais côté. Un train qui aborde l’aiguillage par les pointes, et peut être envoyé sur l’une ou l’autre voie, le prend en pointe ; un train qui arrive par l’autre bout, quand deux voies se rejoignent, le prend en talon.

Comment faire

Une maquette de table montre comment deux lames solidaires choisissent l’itinéraire. Il faut une planche d’environ 60 cm de long, des baguettes de bois carrées d’environ 5 mm pour les rails, des touillettes en bois pour les traverses, de la colle à bois, deux punaises, une bande de carton rigide, un bâtonnet de bois, une petite scie ou un cutter, du papier de verre, deux roues de jouet en bois d’environ 3 cm, un tourillon qui entre dans leur trou et une feuille de carton mince.

Deux lames reliées par une bande de carton choisissent la route de l’essieu.

Commencez par l’essieu. Collez les deux roues sur le tourillon à environ 4 cm l’une de l’autre, puis collez sur la face intérieure de chacune un disque de carton un peu plus grand qu’elle, en guise de boudin. Collez une rangée de traverses sur la planche, puis la voie directe, en plaçant les rails de façon que les boudins passent juste à l’intérieur avec un ou deux millimètres de jeu. Collez une seconde paire de rails le long d’une courbe douce qui se détache d’un côté. Là où le rail intérieur de la courbe rejoint le rail intérieur de la voie directe, coupez-les tous deux pour qu’ils se rencontrent en pointe, avec un vide de chaque côté pour les boudins, et collez un court contre-rail à l’intérieur de chaque rail extérieur, en face de cette pointe. Au départ du branchement, poncez deux baguettes courtes en biseau, posez-les entre les contre-aiguilles et fixez chacune par son gros bout avec une punaise pour qu’elle puisse pivoter. Collez sous les deux, près des pointes, une bande de carton qui les fait bouger ensemble, et faites pivoter un bâtonnet au bord de la voie pour pousser cette bande. Mettez l’aiguille dans un sens, faites rouler lentement l’essieu depuis les pointes et regardez quelle voie il suit, puis changez de sens.

Histoire et évolution

Sur le Diolkos, deux rainures taillées dans le dallage tenaient les roues des chariots.

Les voies aménagées pour tenir des roues sont très anciennes. En Grèce, à travers l’isthme de Corinthe, le Diolkos était une route pavée de grandes dalles de pierre, qui servait à faire passer par la terre des navires et des charges entre le golfe de Corinthe et le golfe Saronique. Deux rainures distantes d’environ 1,5 m la parcourent et tenaient les roues des chariots. La poterie et les lettres gravées dans les pierres datent sa construction de la fin du VIIe ou du début du VIe siècle av. J.-C., et la tradition l’attribue à Périandre, tyran de Corinthe. De longs tronçons en ont été dégagés entre 1956 et 1962 lors des fouilles dirigées par l’archéologue Nikos Verdelis.

Dans les mines décrites par Agricola, une cheville sous le chariot courait dans une rainure entre deux madriers.

Les voies de bois réapparurent dans les mines d’Europe centrale. En 1556, Georgius Agricola décrit des chariots qu’on poussait hors des longues galeries sur deux madriers posés côte à côte. Une cheville de fer émoussée, fixée sous le chariot, courait dans la rainure formée à leur jonction, si bien que le chariot ne pouvait pas quitter la voie.

En Angleterre, Huntingdon Beaumont posa en 1603–1604 une voie de bois pour transporter le charbon de Strelley à Wollaton, près de Nottingham. Les rails de bois étaient fixés bout à bout sur des traverses, et des chevaux tiraient les wagons. Le fer arriva au XVIIIe siècle. En 1767, les forges de Coalbrookdale, dans le Shropshire, commencèrent à fixer des plaques de fonte plates sur leurs rails de bois, qui protégeaient le bois de l’usure. En 1789, sur une ligne de Loughborough à Nanpantan, l’ingénieur William Jessop posa des rails dressés sur la tranche et plaça les boudins sur les roues, à l’intérieur des rails, comme sur les chemins de fer actuels. Les rails laminés en fer, brevetés par John Birkinshaw en 1820, étaient plus longs et plus solides, et George Stephenson les employa sur le chemin de fer de Stockton à Darlington.

Les premières voies changeaient d’itinéraire avec un rail coulissant : un court tronçon de voie qu’on poussait de côté jusqu’à l’aligner sur l’une ou l’autre ligne. Charles Fox fit breveter une aiguille à lames mobiles effilées qui le remplaça. Grace’s Guide date son brevet de 1832, Rail Engineer de 1838. Des lames effilées, un cœur fixe et des contre-rails restent les organes d’un branchement ordinaire.