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Le matériel roulant ferroviaire est composé de l'ensemble des véhicules, moteurs ou remorqués, conçus pour se déplacer sur une voie ferrée.
Mis à part quelques locotracteurs ou lignes de métro sur pneumatiques et les expériences de l'aérotrain ou du train à sustentation magnétique, les véhicules ferroviaires sont munis de roues en acier formant avec le rail un système étroitement coordonné. Les rails utilisés sont généralement de type Vignole et, pour les tramways, des rails à gorge. La stabilité du roulement est assurée par la forme légèrement conique des bandes de roulement et la présence des boudins sur la face intérieure des roues. L'essieu se centre spontanément en adaptant la zone de contact de la roue sur le rail en fonction de la courbure de la voie et des efforts à lui transmettre. Cette stabilité est encore accrue par la cohésion des rames articulées comme les TGV.
Le principal avantage des véhicules sur rail conventionnels est le faible coefficient d'adhérence des bandage de roues en acier sur les rails, également en acier, qui permet de déplacer des masses importantes avec de faibles déperditions d' énergie. Il permet également de constituer des convois de grande longueur permettant le transport de masse. En revanche les courses de freinage sont longues et les trains rapides ont des freins de secours agissant directement sur le rail.
La construction du matériel roulant ferroviaire est l'objet d'une industrie spécialisée, les constructeurs ferroviaires. Ce secteur a longtemps gardé un caractère national dans les principaux pays industriels, chaque pays ayant tendance à émettre des normes techniques particulières.