Le 21 mai 1871, un train sifflant et fumant a gravi pour la première fois la montagne depuis Vitznau, au bord du lac des Quatre-Cantons. C'était, soit dit en passant, le 54e anniversaire de l'homme qui était aux commandes : Niklaus Riggenbach. Et ce fut la naissance du premier chemin de fer de montagne d'Europe. Ceux qui s'assoient aujourd'hui confortablement dans l'un des wagons rouges et voient le lac s'enfoncer sous eux se doutent rarement de la complexité des problèmes physiques, financiers et politiques qu'il a fallu résoudre à l'époque. Cet article raconte l'histoire – avec des chiffres, des formules, et quelques suppositions là où les sources sont muettes.

Ceux qui s'intéressent aux détails des chemins de fer actuels trouveront sur la vue d'ensemble des chemins de fer du Rigi le parc actuel de chemins de fer à crémaillère et de téléphériques. Mais revenons d'abord au milieu du XIXe siècle.

Une montagne à la mode sans accès raisonnable

Le Rigi était déjà un lieu de désir bien avant le chemin de fer. « Reine des montagnes », lever de soleil sur la mer de brouillard, peintres et poètes de toute l'Europe – le Rigi était un prototype précoce du tourisme alpin de masse. Seulement : ceux qui voulaient monter devaient marcher, monter à cheval ou se faire porter dans une litière par des porteurs. Pour un public solvable mais de plus en plus exigeant, c'était un goulot d'étranglement. C'est précisément cette accumulation de demande et de manque d'accès qui est le véritable moteur de toute l'histoire. On peut le résumer ainsi : ce n'est pas la technique qui cherchait une montagne, mais une montagne surpeuplée qui cherchait une technique.

L'ingénieur et son modèle moqué

Niklaus Riggenbach, né en 1817 à Guebwiller en Alsace, était mécanicien de formation et avait gravi les échelons pour devenir constructeur de locomotives à Karlsruhe, puis à la Schweizerische Centralbahn à Olten. L'idée de faire en sorte qu'un train s'accroche à une crémaillère fixe avec un engrenage pour vaincre des rampes raides ne le lâchait pas. Comme la Deutsche Biographie le note à propos de Riggenbach, son modèle a d'abord été accueilli par des haussements d'épaules dans les milieux spécialisés ; même à Stuttgart, on murmurait que « le vieux R. était devenu fou ». Seul le célèbre ingénieur Carl Culmann de l'École polytechnique de Zurich l'a encouragé.

Comme la Suisse ne connaissait pas encore de système de brevets à l'époque, Riggenbach fit protéger son engrenage le 12 août 1863 en France – sous le numéro de brevet français 59625. C'est un détail à retenir : le cœur de l'histoire du chemin de fer de montagne européen est à l'origine un brevet français d'un Bâlois né en Alsace.

L'impulsion décisive fut donnée par un hasard venu d'outre-mer. Presque simultanément et de manière totalement indépendante, l'Américain Sylvester Marsh avait construit le Mount Washington Cog Railway dans le New Hampshire – le premier chemin de fer à crémaillère du monde, officiellement ouvert en 1869, avec environ 1200 mètres de dénivelé et une pente moyenne de 250 ‰. Lorsque le consul général suisse aux États-Unis, John Hitz, vit ce chemin de fer et en fit un rapport enthousiaste à Berne, et lorsque le même Hitz vit plus tard le modèle de Riggenbach à Olten, il se serait exclamé : « Eh bien, Monsieur Riggenbach, vous construisez un chemin de fer sur le Rigi ! » Ainsi, les bricolages de Riggenbach eurent un objectif concret. La technique des deux systèmes est étonnamment similaire – Marsh utilisait des barres rondes comme dents, Riggenbach des échelons plats –, ce qui laisse encore ouverte la question fascinante de savoir qui savait quoi de qui. Les sources penchent clairement pour une double invention : le brevet de Riggenbach de 1863 est six ans plus ancien que le chemin de fer achevé de Marsh.

Avant de monter à la montagne, Riggenbach a d'ailleurs testé son système en plaine : le premier chemin de fer à crémaillère réellement exploité en Europe a fonctionné dès 1870 dans la carrière d'Ostermundigen près de Berne – pour des raisons de marketing, il n'a même été officiellement « inauguré » qu'après le chemin de fer du Rigi. Le Rigi n'était donc pas l'objet d'essai, mais la scène.

Construction, inauguration – et un polar du « Kantönligeist »

Mi-septembre 1869, la construction commença depuis Vitznau (439 m d'altitude). Riggenbach collabora avec les ingénieurs Ferdinand Adolf Naeff et Olivier Zschokke. Le jour de son anniversaire en 1870, le premier essai eut lieu sur un tronçon de 300 mètres, un an plus tard, le 21 mai 1871, la ligne jusqu'à Rigi Staffelhöhe (1550 m d'altitude) fut solennellement inaugurée – en présence de pas moins de quatre conseillers fédéraux. Le tout fut financé par des fonds purement privés ; comme le base de données des chemins de fer historiques suisses le note, des banques de Bâle et de Lucerne y participèrent principalement. Le succès fut immédiat : le chemin de fer transporta bientôt plus de 100 000 passagers par an sur la montagne.

Puis cela devint politique. Le dernier tronçon lucratif de Staffelhöhe jusqu'à Rigi Kulm (1752 m d'altitude) se trouve sur le territoire du canton de Schwyz – et Schwyz refusa la concession au chemin de fer lucernois. Comme la commune d'Arth le décrit dans son parcours culturel, le canton accorda la permission à un comité d'Arth à la place. Le résultat : depuis Staffel, deux voies parallèles se côtoient encore aujourd'hui, construites par deux sociétés concurrentes. Le Vitznau-Rigi-Bahn atteignit Kulm dès le 27 juin 1873, mais dut payer pendant des décennies un loyer pour le tronçon de voie étranger. Le chemin de fer séparé Arth-Rigi-Bahn fut inauguré le 3 juin 1875. Ce n'est qu'en 1992 que les deux rivales fusionnèrent pour former les actuels Rigi Bahnen. Mon évaluation : ce compromis à double voie est un non-sens technique ferroviaire et un monument fédéraliste à la fois – un système plus coûteux et redondant, dû exclusivement à la frontière cantonale. Mais en tant que témoignage de la force (et des coûts) du « Kantönligeist » suisse, il est inestimable.

Pourquoi il faut des dents – la physique de la rampe raide

Passons maintenant au cœur technique. Un « chemin de fer à adhérence » normal avance uniquement grâce au frottement entre la roue en acier et le rail en acier. La force de traction maximale qu'une locomotive peut ainsi générer est

F_Traction = μ · G_Frottement

où μ est le coefficient de frottement ou d'adhérence et G_Frottement est le poids agissant sur les essieux moteurs. Pour gravir une pente, cette force de traction doit vaincre la force de descente plus la résistance au roulement :

F_Traction ≥ m · g · sin α + m · g · f · cos α

Si l'on néglige la faible résistance au roulement et que l'on suppose que tout le poids du véhicule repose sur les essieux moteurs, la limite se simplifie en la belle formule empirique

sin α_max ≈ μ.

Et c'est précisément là que réside le problème. L'acier sec et propre sur l'acier atteint idéalement μ ≈ 0,25–0,33, mais dans la pratique quotidienne, humide et feuillue, plutôt μ ≈ 0,15–0,20. La House of Switzerland le résume bien: les trains à adhérence pure ne peuvent franchir de manière fiable qu'environ 4 % (40 ‰). Tout ce qui dépasse nécessite une aide.

Calculons-le concrètement pour le Rigi. Le Vitznau-Rigi-Bahn a une pente maximale de 250 ‰, soit 25 %. Cela correspond à un angle de

α = arctan(0,25) = 14,04°, avec sin α = 0,2425 et cos α = 0,9701.

Par tonne de poids du train (1000 kg, g = 9,81 m/s²), cela donne :

  • Force de descente : F_Descente = 1000 · 9,81 · 0,2425 ≈ 2379 N ≈ 2,38 kN par tonne
  • Résistance au roulement (avec f ≈ 0,003) : F_Roulement = 1000 · 9,81 · 0,003 · 0,9701 ≈ 28,5 N par tonne
  • Somme : environ 2,41 kN par tonne, qui doivent passer par la crémaillère.

Et la comparaison décisive : pour vaincre ces 250 ‰ sans crémaillère, il faudrait un coefficient d'adhérence de

μ_nécessaire = sin α + f · cos α ≈ 0,242 + 0,003 ≈ 0,245.

Même dans des conditions idéales, le coefficient de frottement réel ne dépasse guère ce chiffre – et en service, il est bien inférieur. Pour une locomotive qui tire en plus des wagons non motorisés (seul le poids de la locomotive est alors le « poids de frottement »), la situation est définitivement sans espoir. D'où la dent. La crémaillère contourne complètement la limite de frottement et établit une liaison par forme, c'est-à-dire une liaison purement géométrique, qui reste pratiquement insensible à l'humidité, aux feuilles ou au givre.

La crémaillère à échelle en détail – masses, modules, moments

La solution de Riggenbach est la crémaillère à échelle : entre deux joues en acier laminé en forme de ] sont insérées des dents trapézoïdales comme des échelons d'une échelle (initialement rivetées, puis soudées). Le Bahnmuseum Appenzellerland décrit de manière éloquente la fabrication complexe – et mentionne en même temps le plus grand inconvénient du système : le rivetage des âmes et le poinçonnage des trous trapézoïdaux sont coûteux.

Les chiffres concrets sont fournis par la description technique du système chez Trackopedia : le pas de la denture est de 100 mm, un profil Riggenbach standard mesure 3 m de long et porte donc 30 dents. Comme ces profils rigides ne peuvent pas être courbés à volonté, ils existent également en deux rayons de courbure fixes – le Rigi lui-même travaille avec un rayon minimum de 60 m. La voie est à écartement normal (1435 mm), ce qui est inhabituellement généreux pour un chemin de fer de montagne.

À partir du pas, la géométrie de la denture peut être dérivée. Pour une denture à développante, le pas p = π · m, donc le module est

m = p / π = 100 mm / π ≈ 31,83 mm.

C'est, comparé à la construction mécanique normale, un module gigantesque – une dent aussi grande qu'un pouce. Le diamètre primitif d'un pignon moteur avec z dents découle alors directement de

d = m · z = z · p / π.

En prenant l'exemple d'un petit pignon moteur de z = 12 dents (le nombre exact de dents historiques varie et est ici une hypothèse), on obtient d ≈ 382 mm. Le couple moteur appliqué au pignon par tonne de poids du train serait alors

T = F_t · d/2 ≈ 2410 N · 0,191 m ≈ 460 N·m par tonne.

Pour un train historique composé d'une locomotive à vapeur et d'un wagon avant plein (environ 25 t de masse totale), cela signifie : environ 60 kN de force dentaire sur la rampe. Cette force devait être transmise proprement par la crémaillère au sous-sol – voyage après voyage, pendant des décennies.

Et la puissance ? Les locomotives à vapeur montaient à environ 9 km/h (2,5 m/s). La puissance de levage pure est

P_Levage = F_Pente · v ≈ 2379 N · 2,5 m/s ≈ 5,95 kW par tonne.

Pour notre train exemple de 25 tonnes, cela représente environ 149 kW juste pour le levage (environ 200 CV), avant même d'ajouter les pertes de roulement et internes. Pour une locomotive à vapeur à chaudière verticale de 1873, c'était une performance – ce n'est pas pour rien que la chronique du Vitznau-Rigi-Bahn rapporte que la locomotive restaurée n° 7, avec sa nouvelle chaudière, n'a plus réussi en 1996/97 à faire monter un grand wagon plein sur la pente de 250 ‰.

La concurrence des systèmes – et un échec mortel

La crémaillère de Riggenbach était une solution pionnière, pas un point final. Autour de l'époque du Rigi, plusieurs systèmes se sont disputé la meilleure réponse à la rampe raide. L'aperçu des systèmes à crémaillère montre que les quatre plus connus sont tous d'origine suisse :

  • Système Riggenbach – la crémaillère à échelle décrite. Robuste, mais coûteuse et rigide à fabriquer.
  • Système Strub (Emil Strub) – un seul rail à large patin, dont les dents sont fraisées dans la tête. Nettement moins cher et plus facile à poser ; utilisable avec les mêmes engrenages que Riggenbach, à condition que le pas et la hauteur du cercle primitif soient corrects. Utilisé notamment sur le Jungfraubahn.
  • Système Abt (Carl Roman Abt) – deux ou trois « lamelles » en acier plat, décalées d'un demi-pas, de sorte qu'une dent est toujours en prise. Remarquable : Abt avait auparavant travaillé pour la propre entreprise de Riggenbach et a développé son système explicitement pour contourner ses coûts élevés.
  • Système Locher (Eduard Locher) – pour les pentes les plus extrêmes. Ici, le pignon ne s'engage pas par le haut, mais avec des dents horizontales latéralement dans une crémaillère double face, ce qui empêche le déraillement. C'est ainsi que le Pilatusbahn, ouvert en 1889, franchit ses 48 % (480 ‰) – encore aujourd'hui le chemin de fer à crémaillère le plus raide du monde.

Plus tard, la crémaillère à lamelles Von-Roll est venue s'ajouter, qui, à partir des années 1960, a remplacé les profils Riggenbach coûteux et les profils Strub qui n'étaient plus disponibles, et a simplement repris l'ancienne géométrie de denture dans de l'acier plat fraisé.

Le chemin de traverse le plus passionnant de l'histoire est cependant un échec. L'ingénieur cantonal de Zurich, Kaspar Wetli, voulait éviter complètement la dent et a conçu à la place le système de roue à rouleaux Wetli : un rouleau denté large, remplissant tout l'espace entre les rails, qui s'engage dans des pièces de rail montées en forme de flèche. Il devait desservir la ligne de chemin de fer Wädenswil–Einsiedeln avec ses 50 ‰, car on se méfiait à juste titre d'un chemin de fer à adhérence pure sur cette pente. Le 30 novembre 1876, la catastrophe se produisit lors de la répétition générale : la montée réussit, mais lors de la descente, le rouleau était débrayé (il n'était pas du tout prévu pour le freinage) – et ce sont précisément les freins conventionnels qui firent défaut, probablement parce que de l'huile s'était répandue sur les rails et les roues. Le train dévala à une vitesse estimée à 120 km/h dans la gare de Wädenswil, se renversa, et des personnes perdirent la vie.

L'amère ironie : ce n'est pas le système de roue à rouleaux qui avait échoué, mais les freins. Néanmoins, la confiance était perdue, la Nordostbahn se retira, et la ligne fut achevée comme un simple chemin de fer à adhérence. Ma supposition : si cet accident n'était pas arrivé – ou si l'enquête avait été aussi sobrement séparée entre « erreur de système » et « erreur de freinage » que nous le ferions aujourd'hui –, alors la roue de Wetli serait peut-être dans une note de bas de page à côté de Riggenbach au lieu d'être dans la note de bas de page sous lui. L'affaire est une leçon sur la façon dont une catastrophe unique, médiatisée, peut anéantir toute une ligne technique, indépendamment de sa réelle aptitude.

Hier contre aujourd'hui – les mêmes formules, de nouveaux leviers

Ce qui est fascinant avec le Rigi Bahn, c'est à quel point la physique a peu changé et à quel point la technique a évolué. Les équations fondamentales de 1871 – F_Traction = μ · G_Frottement pour l'adhérence et F = m·g·(sin α + f·cos α) pour la résistance au roulement – figurent aujourd'hui inchangées dans tous les manuels. Ce qui a changé, ce sont les leviers d'action au sein de ces équations.

La plus grande rupture fut l'électrification en 1937 : depuis, le chemin de fer fonctionne avec 1500 V de courant continu, alimenté par plusieurs stations de redressement. La locomotive à vapeur avec ses modestes 9 km/h a cédé la place à des automotrices qui montent à 18 à 23 km/h. Le moteur électrique délivre son couple immédiatement et sur toute la plage de régime – plus de démarrage avec une pression de chaudière difficilement accumulée. Le plus grand gain physique réside cependant dans la descente : une automotrice moderne peut utiliser ses moteurs comme générateurs et freiner par récupération, c'est-à-dire réinjecter une partie de l'énergie potentielle de la descente (après tout, ces ~5,95 kW par tonne que l'on a mis à la montée) dans le réseau, au lieu de la dissiper simplement en chaleur comme l'ancien frein à sabot. Hypothèse : c'est précisément ce point – la descente comme problème de freinage – qui était déjà le problème central non résolu à Wädenswil en 1876. Ce qui a provoqué la catastrophe de Wetli est aujourd'hui élégamment résolu par la propulsion électrique.

Et pourtant : le pas de denture de 100 mm de 1871 est toujours d'actualité. Les véhicules modernes s'engagent dans la même géométrie que les ancêtres de Riggenbach ; les lamelles Von-Roll et les profils Riggenbach sont interchangeables. C'est une remarquable continuité technique sur 150 ans – une norme qui a duré toute une vie humaine parce qu'elle était clairement définie dès le départ. Si j'en tire une leçon, c'est celle-ci : une norme bien choisie et ouvertement compatible est souvent plus durable que la plus brillante des innovations individuelles.

Ce que le chemin de fer a signifié pour le Rigi

On ne saurait surestimer l'impact du Rigi Bahn. Ce n'était pas seulement un moyen de transport, c'était un modèle économique et un prototype à la fois. Quatre ans après son ouverture, le chemin de fer Arth-Rigi-Bahn suivit, puis une avalanche de chemins de fer à crémaillère alpins dans toute la région alpine, dont le point culminant fut le Jungfraubahn, achevé en 1912, atteignant 3454 m. La montagne, auparavant accessible uniquement à pied ou à dos de mulet, devint en quelques années une destination touristique industrialisée pour un public de masse.

Du point de vue actuel sur le Rigi en tant que région résidentielle et de vacances – par exemple à Kaltbad, que le chemin de fer dessert depuis 1871 et qui est encore aujourd'hui sans voitures – on voit à quel point cette infrastructure a marqué l'identité de la montagne. La crémaillère n'est pas ici une nostalgie, mais toujours l'artère vitale. La montagne est littéralement construite sur des rails.

Mon évaluation finale : le Rigi Bahn était moins un coup de génie technique sorti de nulle part – Marsh était là presque simultanément, Wetli avait une alternative sérieuse, les systèmes Abt, Strub et Locher ont parfois dépassé Riggenbach – qu'une rencontre parfaite entre une technique mature, une demande touristique et un capital privé courageux au bon endroit. La véritable réussite de Riggenbach n'a pas été seulement la denture, mais le courage de l'oser à grande échelle pour la première fois sur l'une des montagnes les plus célèbres d'Europe. Que ce soit précisément la plus chère et la plus complexe des premières crémaillères qui ait fait le début est une ironie de l'histoire de la technique – mais une ironie qui monte la montagne ponctuellement tous les matins depuis 150 ans.