Les rails sont de longues barres d’acier profilées, qui mises bout à bout servent à former un chemin de fer. Les rails servent à la fois de guide et de support de roulement pour les véhicules. Étant conducteurs, ils sont souvent utilisés pour la transmission de signaux (circuits de voie) et pour le retour des courants de traction et des auxiliaires du train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de...) (ligne train pour le chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...) et la climatisation (La climatisation est la technique qui consiste à modifier, contrôler et réguler les...) sur les rames tractées). Généralement, une voie ferrée (Une voie ferrée est un chemin de roulement pour les convois ferroviaires, constitué d'une ou...) est constituée de deux files de rails posées en parallèle sur des traverses. Un système de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) fondé sur l’utilisation d’un seul rail (Un rail (ou lisse en québécois) est une barre d’acier profilée. Deux files...) est un monorail (Un monorail est un système de transport guidé où la caisse du véhicule...). Un rail peut servir aussi à l’alimentation électrique (alimentation par troisième rail).
Le rail moderne est généralement du type " Vignole " ; dans une section transversale, on distingue le patin qui s’appuie sur la traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de...), le champignon qui constitue le chemin de roulement ( En mécanique, le roulement, et plus précisément le roulement sans glissement, est le mouvement...), et l’âme, filet vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en...) qui relie le champignon au patin. Sur les lignes importantes, la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) linéïque standard du rail est de 60 kg/m.
Le rail à double champignon, dont la section est symétrique, avait été conçu pour permettre de retouner le rail usé et donc doubler sa durée de vie (La vie est le nom donné :). Ce principe a été abandonné.
Des rails à gorge (type " Broca ") sont utilisés pour les voies encastrées dans des chaussées routières, notamment pour les installations industrielles et les lignes de tramway (Le tramway (ou tram) est une forme de transport en commun urbain ou interurbain circulant sur des...).
La pose des rails se fait normalement avec des joints de dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement,...), les rails, de 18 ou 36 m de long, coulissant librement dans les éclisses (pièces qui assurent la jonction (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") de deux rails successifs). Dans ce cas la continuité (En mathématiques, la continuité est une propriété topologique d'une fonction....) électrique doit être assurée. De plus en plus se développe la technique dite des " barres longues " ou LRS (longs rails soudés), dans laquelle les coupons de rail de 80 m sont soudés en atelier en longueurs de 320 à 400 mètres. Ces barres sont posées sur de très grandes longueurs, sans limite réelle, les soudures nécessaires étant réalisées sur place. La dilatation est contrainte par le frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre...) des traverses sur le ballast ( Le ballast est le lit de gravier qui supporte une voie de chemin de fer. Les ballasts sont des...). Cela suppose réunies certaines conditions de stabilité de la plate-forme et de rayon de courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est...) minimum. À l’extrémité des LRS sont installés des appareils de dilatation, notamment au droit de certains ouvrages d’art.
Le ballast est constitué de roches dures concassées (généralement, il s’agit de roches éruptives : granite (Le granite est une roche magmatique plutonique à texture grenue, c'est-à-dire...), rhyolite (La rhyolite est une roche volcanique de couleur assez claire : rosée ou grise. C'est une...), quartzite...) qui doivent résister à l’attrition, qui émousse les angles. L’épaisseur du ballast est fonction de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) et de l’intensité du trafic, 30 cm sur ligne classique, 40 cm sur LGV.
Une voie ferrée traditionnelle est fixée sur des traverses en bois reposant sur un ballast fait de cailloux concassés à arêtes vives. La fixation se fait grâce à des tire-fonds et des attaches élastiques, parfois munies de semelles en caoutchouc pour limiter le bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....).
Les traverses assurent la transmission de la charge au ballast, et le maintien de l’écartement et de l’inclinaison des rails. Le travelage, c’est-à-dire le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de traverses au kilomètre est variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...), généralement de 1666 traverses/km à la SNCF (La Société nationale des chemins de fer français (SNCF) est l'une des principales entreprises...). Les traverses peuvent être :
Durant leur phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) de préparation, les traverses en bois sont imbibées de créosote (La créosote est le nom donné à plusieurs sortes d'huiles extraites de goudrons de...) lors d'un passage en etuve. La créosote est un assemblage d'hydrocarbures utilisé dans la protection du bois.
La voie ferrée peut aussi être posée sans ballast, directement sur un lit de béton. C’est le cas du tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de...) de Marseille sur la LGV Méditerranée (La LGV Méditerranée, ou ligne nouvelle 5 (LN5), est une ligne ferroviaire à grande vitesse...), ainsi qu’en Allemagne de la ligne ICE entre Francfort et Cologne. Ce procédé réduit l’entretien mais coûte plus cher et ne permet pas de corriger facilement les défauts de géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...).
Les croisements et changements de voies se font en général par des appareils de voie qui comprennent des aiguillages, des traversées (croisement de deux voies sans aiguilles mobiles) et des traversées jonctions simples ou doubles, autorisant le croisement de deux voies et l’aiguillage vers une ou deux directions. Il y eut des ponts tournants, valables surtout pour des véhicules de faible empattement, à l’époque de la vapeur ().
Outre ses fonctions de roulement et de guidage, le rail a souvent une fonction de sécurité : il sert de circuit aux courants de signalisation, ce qui permet de mettre au rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) automatiquement un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) lorsqu’un véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un...) court-circuite les deux rails. De plus, le rail constitue le circuit de retour du courant electrique de traction vers la sous-station d'alimentation.
Les rails manufacturés ont des profils symétriques. À la pose, ils sont légèrement inclinés vers l’intérieur de la voie d’environ:
On parle ainsi de "pose au 20e, au 40e".
Un très grand nombre de profils de rails a existé. Les plus répandus aujourd'hui (50E6 - anciennement U50, et 60E1 - anciennement UIC 60...) comportent une table (dessus du champignon) avec un rayon de 200 à 300 mm, des congés latéraux de rayon 12 à 13 mm, et souvent un rayon de raccordement intermédiaire, par exemple de 60 à 80 mm. Les rails s'usent, surtout en courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...), et s'éloignent de ces valeurs théoriques.
La table de roulement des roues est de forme conique (Les coniques constituent une famille très utilisée de courbes planes algébriques,...) avec un raccord concave vers le boudin. C'est la forme de la roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par...) qui permet à l'essieu (Dans un véhicule à roues, un essieu est un arbre placé transversalement sous la caisse et...) ferroviaire monobloc, par différence des rayons de roulement droite-gauche, de s'auto-centrer dans la voie lorsqu'il se déporte latéralement, sans action d'organes extérieurs. Cet asservissement (L'asservissement est une partie de l'automatique. L'objet principal de l'asservissement est...) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) lui permet de prendre les courbes larges sans user son boudin.
Le profil de roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe...) normalisé par l’Union internationale des chemins de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...), dit " profil UIC ", comporte une partie au 1/40e et un raccordement progressif vers le boudin. Ce profil est appelé également S1002, d’après la désignation de celui qui avait été choisi parmi les différents profils testés.
La conicité, c’est-à-dire l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) (en radian) au contact roue-rail est propre à chaque couple -profil de roue / profil de rail-, et varie avec l’usure. C'est un fonction de la position latérale de l'essieu dans la voie, donc de la roue relativement au rail, qui peut varier de typiquement +/- 8 mm entre butées aux boudins. Elle est sensible à la pose du rail, à l'usure, à l'écartement.
La conicité équivalente est la valeur de cette fonction pour un jeu dans la voie donné. Par exemple, à l’état neuf, pour un jeu de +/-3 à +/-5 mm elle est de :
S'agissant d'une valeur locale de la fonction, elle est très sensible à la pose du rail. Une forte conicité caractérise un contact capable de bien auto-orienter l'essieu, mais il risque de rendre le bogie (Un bogie (ou boggie) est un chariot situé sous un véhicule ferroviaire, sur lequel sont fixés...) et donc le véhicule instable. On y remédie avec des suspensions raides. Il s'agit d'un compromis différent pour un TGV (Le TGV est une rame automotrice électrique d'origine française apte à circuler à des vitesses...) et un métro (Un métro, apocope du terme métropolitain lui-même abréviation de chemin de fer métropolitain,...).
Les surfaces de contact entre roue et rail sont de l'ordre du cm2 ; on les calcule à partir des courbures des profils, à l'aide de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de Hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du...) sur le contact élastique (1887). les pressions peuvent être très élevées, de l'ordre de 1000 MégaPascal. Les efforts tangents se calculent par la théorie de Kalker (1967).
Les rails de tramway sont souvent posés à plat, et leurs roues sont parfois cylindriques. Les virages sont si serrés sur les réseaux de tramways que l'on ne cherche même pas toujours à utiliser l'effet bicône. On limite l'usure par le graissage des boudins et en ne chargeant pas trop les essieux.
En France comme dans une majeure partie des pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue...), l'écartement des rails (L’écartement des rails est la distance séparant le flanc interne des deux files de rails...) est généralement de 1,435 mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du...) (sauf voies industrielles spécifiques ou de tourisme (Le tourisme est le fait de quitter son domicile, pour des raisons personnelles, pour une durée...) où l'écartement peut varier beaucoup). Pour augmenter l'effet bicône on surécarte les voies de chemin de fer (Le chemin de fer est un système de transport guidé servant au transport de personnes et...) dans les courbes, sauf pour les tramways qui utilisent des rails à gorge ne permettant pas ce surécartement sous peine d'une usure anormale du flanc interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) des roues.
Le rail ferroviaire est en acier, avec un taux de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) moyen, de l'ordre de 0.6% à 0,8%, mais un taux de manganèse (Le manganèse est un élément chimique, de symbole Mn et de numéro atomique 25.) et de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) importants, de 0,7% à 1,2% et de 0.1% à 0.6% respectivement, qui le rendent dur et lui permettent de supporter des contraintes élevées. Les rails sont laminés à chaud (température de l'ordre de 1200 degrés)et subissent un corroyage (réduction de section depuis le bloom jusqu'au rail fini) d'au moins 7. Pour ces aciers au carbone on n'utilise pas la terminologie habituelle de la sidérurgie (Le terme sidérurgie (du grec sideros, fer) désigne à la fois les techniques...); on parlait de nuances 700, 800 ou 900A (MPa) jusqu'en 2002, de nuances comme par exemple R260 (dureté HBW sur la table de roulement) selon la norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un...) européenne EN13674 de nos jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...).
L'entretien de la voie ferroviaire est concentré sur le ballast et la rectitude d'alignement des rails. Cette dernière se vérifie sous charge, par exemple en France avec les voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...) "Mauzin". On peut rectifier les déviations par bourrage du ballast, par changement des traverses ou des attaches si elles sont endommagées, ou par "Renouvellement Voie Ballast" (RVB) si la voie est jugée trop ancienne.
La maintenance des rails porte sur leurs défauts internes ou externes. Sous l'action du passage des roues, les contacts peuvent fatiguer le rail. Des défauts internes ou des soudures mal faites peuvent générer des fissures non débouchantes que l'on détecte par ultra-sons. Des fissures externes peuvent apparaître, surtout dans les courbes, là où il y a glissement relatif roue-rail. On détecte ces défauts de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) par capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) à courant de Foucault, qui détectent aussi l'usure ondulatoire.
Le moyen principal de maintenance préventive en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) de voies est le meulage, qui permet d'éliminer les défauts de surface susceptibles de générer des fissures, comme par exemple la fatigue de contact (RCF ou rolling contact fatigue en anglais) ou l'usure ondulatoire. Chaque meulage enlève jusqu'à 1 mm d'épaisseur d'acier et redonne une forme appropriée au champignon.
La surveillance d'un réseau ferroviaire (Un réseau ferroviaire est un ensemble de lignes de chemin de fer, de gares et d'installations...) par ces méthodes est critique pour la sécurité mais aussi pour la maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de...) des coûts de maintenance.
Il existe des rails dits sans entretien, colaminés à chaud avec une plaque inoxydable qui permet à la table de ne pas s'oxyder. Le contact sur ces rails permet de garantir le shuntage (Le shuntage est la mise en place d'un shunt sur un circuit électrique.), lorsque les rails sont utilisés dans les circuits de voie.
Par extension, le rail désigne l’ensemble des activités liées aux chemins de fer.
Par analogie, on désigne par un rail un petit tas de drogue (Une drogue est un composé chimique, biochimique ou naturel, capable d'altérer une ou...) (généralement de la cocaïne) disposé en ligne sur un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme...) (ou une autre surface plane), à l’aide d’une lame de rasoir. Cette disposition permet au consommateur d’inspirer la drogue directement dans le nez (Le nez (du latin nasus) est chez l'homme la saillie médiane du visage située au-dessus de...) à l’aide d’un petit tube.