Bánh xe tàu hỏa được thiết kế để không chạy trật khỏi đường ray nhờ vào một nguyên lý vật lý gọi là "nguyên lý lăn trên trục". Nguyên lý này đảm bảo rằng bánh xe di chuyển trên trục của nó một cách ổn định mà không cần sử dụng bất kỳ cơ chế nào để giữ cho nó ở vị trí.

Một phần quan trọng của nguyên lý này là hình dạng của bánh xe và đường ray. Đường ray được thiết kế để có một đường hình học đặc biệt, gọi là "hình dạng hụt" hoặc "hình dạng trũng". Đường ray có một đường chạy nhô lên ở giữa, trong khi bề mặt ngoài của nó trơn.

Bánh xe tàu hỏa cũng có hình dạng tương tự như đường ray. Chúng có một mặt tiếp xúc trơn và một hình dạng lõm phù hợp với đường ray. Khi tàu hỏa di chuyển trên đường ray, các mặt tiếp xúc của bánh xe sẽ đặt trên các đỉnh của đường ray, tạo ra một sự giao thoa giữa bánh xe và đường ray. Điều này giúp giữ cho tàu hỏa di chuyển theo hướng xác định mà không chạy trật khỏi đường ray.

Thêm vào đó, tàu hỏa có hệ thống treo và trọng lượng phân bố hợp lý để giữ cho trọng lượng của tàu hướng xuống và định vị đúng trên đường ray. Tất cả các yếu tố này kết hợp lại làm cho bánh xe tàu hỏa không chạy trật khỏi đường ray trong quá trình hoạt động bình thường.