Una de les característiques principals del ferrocarril es la
fricció quasi nula que ofereix el desplaçament de la roda
sobre el carril. Això permet un gran estalvi d'energia, ja que amb
pocs kilograms d'esforç de tracció, es poden arrossegar tones
de pes sigui quin sigui el sistema de tracció, si parlem d'horitzontal.
El punt de contacte entre la roda i el carril es mínim.
En contrapartida aquesta mateixa característica també ocasiona els dos inconvenients mes greus que te el ferrocarril: el frenat i la pendent.
Degut a l'insignificant frec de la roda sobre
el carril, els frens tenen limitada la força amb que poden actuar
sobre la roda, per que en el moment en que aquesta sigui major del que
el coeficient d'adherència li permeti, la roda relliscarà
sobre el carril.
Aquesta imatge demostra
que amb pocs kilograms d'esforç, sigui quin sigui el sistema de
tracció, es possible moure varies tones. Això es dèu
al fi rodament de la roda sobre el carril, quasi sense frec. Si bé
aquestes dues persones segurament varen suar molt, es ben clar que l'esforç
que poden desenvolupar dos éssers humans es petit per a moure un
vagó de 7 Tones.
Idèntica situació es produeix quan el traçat del ferrocarril arriba a terrenys amb pendent, i es precisa un esforç de tracció molt més gran per a poder elevar el pes que fins ara només teníem d'arrossegar. Augmentant l'esforç de tracció es veurà reduïda l'adherència de la locomotora, per el que el gradient també es veurà molt limitat.
La pendent màxima per a un ferrocarril d'adherència, en via ample sol ésser d'unes 30 ó 35 mil·lèsimes, encara que hi ha casos en que es supera (El FC Ripoll-Puigcerdà, per exemple, arriba a 43 mil·lèsimes). La via estreta permet un gradient una mica superior degut al menor pes del material remolcat, arribant en casos extrems a les 67 mil·lèsimes (FC del Guadarrama). Però no sempre la orografia permet vèncer les muntanyes i desnivells amb un gradient tan limitat.
Què succeeix llavors?
Si no es pot augmentar el gradient, s'ha d'augmentar el traçat per arribar a la mateixa alçada. Això s'aconsegueix per els sistemes que veurem a continuació:
1) curves de ferradura; consisteix en realitzar un traçat que va girant sobre sí mateix una i altre vegada, podent guanyar molta més alçada que en línia recta. Com exemple existeixen o han existit en via ample, entre altres, el traçat de la rampa de Bárcena (FC Madrid-Palencia-Santander), la rampa del port de Pajàres (FC Leon-Oviedo-Gijon), i també n'hi havia en el FC Vasco-Navarro, de via mètrica.
2) túnels helicoidals, o de cargol; consisteix en un túnel en el que la via dona una volta complerta sobre si mateixa, creuant-se a nivell superior. També tenim un exemple en via ample en el túnel de Tosses, a La Molina, entre Barcelona i Puigcerdà. Un altre exemple d'aquest tipus de traçat, però a cel obert, es el llaç de La Granja (FC Venta de Baños-La Coruña). No es va utilitzar aquest sistema en via estreta a Catalunya, ni a Espanya.
Diversos exemples de curves de ferradura i de túnels helicoidals; Adalt a l'esquerra línia de Sant Gotard (Suissa): combinació de ferradura i túnel helicoide; centre rampa de Bárcena; dreta rampa de Pajàres; Abaix, esquerra túnel helicoide de Tosses, dreta llaç de La Granja (de Geografia de los Ferrocariles Españoles)
3) ziga-zaga; aquest sistema es molt utilitzat en zones on el terreny no ofereix la duresa suficient per a foradar túnels, o a on no es pot realitzar l'inversió suficient. Consisteix en pujar fins a arribar a un punt a on per mitjà d'unes agulles la via reempren la pujada en sentit contrari, fins a un altre punt d'iguals característiques. Així, dons, un tren canviarà el sentit en arribar a la primera agulla, passant la locomotora a empènyer el tren mentre ascendeix fins a la segona agulla a on, després de canviar novament el sentit de la marxa, continuarà l'ascensió amb la locomotora novament al cap del tren.
