vignette|Larousse universel en 2 volumes; nouveau dictionnaire encyclopédique publié sous la direction de Claude Augé (1922). L’histoire des chemins de fer, c'est-à-dire d'un moyen de transport guidé, associant une voie ferrée et des véhicules spécifiques tractés par un engin à moteur, commence en Grande-Bretagne à la fin du et au début du , puis progresse en quelques décennies au fur et à mesure des progrès techniques, pour donner lieu à l'intense développement ferroviaire des années 1840. Le chemin de fer devient alors le mode de transport terrestre dominant pendant près d'un siècle, avant d'être supplanté, depuis la fin de la Seconde Guerre mondiale, par le transport routier automobile, et concurrencé par le transport aérien.
L'histoire du transport guidé commence cependant bien plus tôt, avec l'utilisation d'ornières creusées dans la pierre, et en remontant plus loin dans le temps des systèmes utilisant le bois comme chemin sont une des hypothèses envisagées pour expliquer le transport des charges lourdes dans l'AntiquitéCariou Pierre. Un procédé de levage des grands menhirs : Présentation d'une maquette. In: Bulletin de la Société préhistorique française. 1958, tome 55, N. 7-8. Travaux en retard. pp. 444-445.présentation (consulté le 4 juin 2010..
C'est l'invention de la locomotive, favorisée par les développements donnés à la machine à vapeur dans le courant du , et les progrès rapides réalisés dans ce domaine, ainsi que dans la conception des rails et de la voie, qui permettent en peu de temps de passer de systèmes utilisant des rails en bois, puis en fonte ou en fer, à des voies à rails d'acier, et de la traction humaine ou animale, à la puissante traction des machines.
Le chemin de fer permet de garantir des déplacements rapides et sûrs, pour les personnes comme pour les marchandises. Tant en Europe qu'aux États-Unis, il contribue ainsi puissamment à la révolution industrielle, à la capitalisation et au développement du secteur financier et du commerce, et au développement urbain qui caractérisent le , tout en bénéficiant en retour des avancées technologiques du siècle et des moyens d'investissement importants que nécessitent ses coûteuses infrastructures.
Alors que les transports par voie de terre sont encore largement tributaires de la force animale - les premiers véhicules terrestres à moteur n'apparaissent qu'à la fin du - le chemin de fer permet de desservir villes et campagnes grâce à des réseaux maillés et à l'utilisation de différents écartements, les plus étroits permettant à moindre coût d'atteindre des localités reculées ou d'affronter le relief en zone de montagne.
Le chemin de fer prend ainsi une importance majeure sur le plan économique et social, mais aussi militaire, en réduisant considérablement la durée des mobilisations et le temps de transport des troupes. Il intéresse ainsi les États, qui exercent tous à des degrés divers une tutelle ou un contrôle sur les réseaux nationaux. Certains États deviennent même, comme la France, constructeurs et exploitants de réseaux, notamment pour pallier les carences du secteur privé.
Les divers accidents, parfois catastrophiques, que connaît le chemin de fer donnent lieu à la mise en place de systèmes et de protocoles de sécurité qui permettent de faire du rail l'un des plus sûrs moyens de transport.
Parallèlement à ces progrès, l'industrie ferroviaire ne cesse d'améliorer les conditions de vitesse et de confort en particulier pour le transport de voyageurs. Dans l'après-guerre, cette tendance aboutit à la disparition de la locomotive à vapeur dans tous les réseaux modernes, et au déploiement commercial de la traction électrique, qui permet d'obtenir des vitesses élevées, et qui donne lieu à la création de réseaux à grande vitesse sur lesquels circulent des trains dédiés. Ce phénomène s'est accompagné, dans le courant du , de la concentration des entreprises ferroviaires et de la disparition de la grande majorité des petits réseaux locaux et ruraux, au profit du transport routier.
Ancêtre des chemins de fer
Le chemin de fer a été créé pour réduire le travail à fournir lors d'un déplacement de masse. Dans cette perspective, les chemins guidés durant l'Antiquité (roulement sur des plans inclinés en bois parfois garnis de métal chez les Égyptiens, routes romaines en pierre entaillées de profondes ornièresLa loi imposait au charron de respecter rigoureusement l'écartement des roues., diolkos grecs) sont les précurseursLewis, M. J. T., « Railways in the Greek and Roman world », in Guy, A. / Rees, J. (eds), Early Railways. A Selection of Papers from the First International Early Railways Conference (2001).
La voie charretière ou les réseaux de chemins guidés dans les mines au Moyen Âge sont également des précurseursWilliam Wenger, les Chemins de fer dans le monde, opus cité, chapitre 1 : naissance et développement du chemin de fer) p.12., qui peuvent être considérés comme l'ancêtre du chemin de fer. Des vestiges de ces rigoles de pierre sont encore visibles de nos jours. Par exemple, on en a retrouvé à Pompéi datant de l'an 50 ap.J-CWilliam Wenger, op.cit, p.12.. Un autre exemple en est la route d'Etraz en SuisseWilliam Wenger, op. cit p.12. Plus tard ce principe fut employé à nouveau lors du développement des mines de charbon en Grande-Bretagne. Les pierres plates n’étant pas satisfaisantes, on utilisa du bois, puis, pour en réduire l’usure, on plaça du fer dans le fond de la gorgeWilliam Wenger, op. cit. p.14.. Cette technique présenta à l'époque le même problème que les tramways d’aujourd’hui, qui utilisent un système similaire : les cales se remplissent de déchets (ce qui est très problématique dans une mine où les déchets sont des pierres). C’est ainsi que l’on créa le rail pour faire face à ce problème à la fin du .
Premiers chemins de fer thumb|upright=1.2|« Le premier Railway Coach ».
Le fait d’utiliser des rails afin de faire avancer un wagon n’est pas un moyen de transport qui date du . Au Moyen Âge déjà on utilisait ce type de moyen de transport, dans les mines, comme des rails « tels ceux en bois trouvés à l'Ofenpass en 1993, les plus anciens de Suisse (1441) », consulté le 5 mai 2009..
L'usage de voies constituées de rails de bois sur lesquels circulaient des chariots hippomobiles, est attesté en Alsace dans les années 1540, puis s'est répandu en Europe. Au début du , on commença à employer le fer pour les roues comme pour les rails, et ces systèmes prirent le nom de tramways. Typiquement, les roues étaient guidées dans des ornières revêtues de plaques métalliques. Vers la fin du , un ingénieur anglais, William Jessop, conçut les rails à ornière destinés aux roues à boudin, pour un projet à Loughborough (Leicestershire), en 1789. En 1802, Jessop ouvrit le Surrey Iron Railway dans le sud de Londres, qui utilise des rails en forme de L et la traction hippomobile.
James Watt, inventeur et ingénieur en mécanique écossais, apporta en 1769 à la machine à vapeur les améliorations qui permirent d'en généraliser l'usage et encouragèrent d'autres expériences.
Arrivée de la vapeur thumb|Locomotive de Trevithick (1804), premier succès d'une locomotive à vapeur.
En 1805, puis en 1808 il construit deux autres locomotives, la seconde portant le nom de M'attrape qui peut !. Celles-ci n'étant pas concluantes non plus, et malgré son génie inventif, Richard Trevithick finit sa vie dans la pauvreté. Son œuvre resta méconnue..
En 1812 un ingénieur et inventeur américain, Oliver Evans, publia sa vision du développement du chemin de fer à vapeur, avec un réseau de lignes à longue distance desservi par des locomotives rapides, reliant les villes entre elles et réduisant sensiblement les temps de parcours tant pour les voyageurs que pour les marchandises. Evans précisa que des voies parallèles devaient être prévues pour permettre la circulation des trains dans les deux sens.
En 1813, George Stephenson persuada le directeur de la houillère dans laquelle il travaillait de le laisser construire une machine à vapeur. Il construisit la Blücher, la première locomotive à roues adhérentes. Les boudins des roues permettaient de faire rouler les trains sur le sommet des rails, et non plus dans des rails creux. Cela simplifia grandement la conception des aiguillages, et ouvrit la voie au chemin de fer moderne.
La compagnie du chemin de fer Stockton - Darlington ouvrit sa première ligne le . Stephenson conduisait lui-même sa machine, la Locomotion n° 1 ; le spectacle attira une grande foule de spectateurs.
La locomotive à vapeur fut inventée au tout début de la révolution industrielle et le chemin de fer devint un rouage essentiel de l'industrialisation, qui nécessitait le déplacement rapide des marchandises et de la main-d'œuvre. Au début, il était en concurrence avec le transport fluvial, mais rapidement le chemin de fer s'imposa grâce à la machine à vapeur, à l'amélioration de la voie et à la possibilité de construire des lignes de chemin de fer là où les canaux étaient impraticables.
Alors que dans toute l'Europe se développaient de nombreuses lignes d'initiative privée, la première ligne publique est inaugurée le entre Bruxelles et Malines. D'emblée, sous l'influence du ministre Charles Rogier, partisan des idées fouriéristes, pour qui le chemin de fer doit être accessible au peuple, c'est une ligne offrant trois classes (correspondant à trois types de voitures qui, au début, reçoivent des noms inspirés de la terminologie traditionnelle des transports, berlines, diligence et char à bancsUlysse Lamalle, Histoire des Chemins de Fer Belges, Bruxelles, éd. Office de Publicité S.A., 1953.). La classe la plus économique permet le déplacement des ouvriers, ce qui sonne l'heure du début des migrations quotidiennes de travailleurs favorisant la poursuite de l'industrialisation. Cette première ligne, suivie bientôt d'extensions, notamment vers l'Allemagne, fut dénommée plus tard "le Rhin de fer", lorsque la voie arriva à Ans, puis à Liège, prélude à la liaison vers le Rhin, car elle permettait de développer les échanges avec l'Allemagne pour remplacer les voies navigables passant par la Hollande devenues inaccessibles ou coûteuses depuis la révolution belge de 1830 qui avait mis fin à la domination des Pays-Bas. Des stations fixes dotées de guichets étaient installées à chaque extrémité du parcours, puis en des points intermédiaires. Au début, les passages à niveau avec les voies routières furent gardés par des militaires qui présentaient les armes au passage des convois. L'avance prise par la Belgique favorisa les inventions dont les brevets furent déposés par des mécaniciens et ingénieurs tels Égide Walschaerts, en 1844, avec la distribution par coulisse répandue bientôt dans le monde entier au fur et à mesure de l'expansion des chemins de fer. Par la suite, l'ingénieur Alfred Belpaire trouva le moyen de convertir les foyers pour l'utilisation de ce que l'on appelait les charbons menus, résidus dont l'industrie ne voulait pas et que, pour cette raison, les chemins de fer belges pouvaient acheter à bas prixMusée des Chemins de Fer, Gare du Nord, Bruxelles..
Les premiers développements ferroviaires sur le continent ne retirent pas à la Grande-Bretagne la première position qu'elle occupe, tant en capitalisation qu'en longueurs de réseaux : la très forte expansion boursière des années 1840 en Angleterre, appelée aussi « railway mania » donne à ce pays la moitié des kilomètres de rail européen en 1845, peu avant le krach de 1847, parfois surnommé le « krach du chemin de fer ».
La traction à vapeur se répand vite dans le monde entier et connaît son essor maximal avant les années 1950. Durant plus d'un siècle, on assiste progressivement à des modifications de la traction :
distribution à coulisse de Walschaerts, adoption du foyer Belpaire, un foyer plat à grande surface pouvant utiliser tout type de combustible solide, , essai de la turbine à vapeur (pour accélérer la vitesse),