前面已经有几位知友从物理和土木方面回答了最基本的原理，其实就是抬高外侧轨道抵消高速曲线运动的离心力。但这些基本原理只告诉我们弯道的最高静态设计速度，没有回答如何保证不会出轨。我因为机缘巧合调研过一些铁路信号系统的工作，在此非常粗略地讲讲吧。
在早期的铁路系统，比如咱们的绿皮车时代，根据弯道的设计速度，会在进入弯道之前一段距离树立限速标识指示给货车司机的——可以想象这样的系统多不可靠：如果司机打盹错过标识，或者富有冒险精神，那么一车的乘客都要随着他神游了——当然，这些标识一般是有余量的。不过这时候是无法保证火车一定不出轨的。比如88年昆明到上海的80次火车脱轨，死88人（没错，就是这么巧，全是8，所以不要迷信数字）伤202人，就是司机超速行驶造成的，直接造成当时铁道部长丁关根辞职。
欧洲的铁路系统早就意识到把人加入到这样高速运动的系统的控制环节（标识->司机->刹车）中有多么不可靠，所以引入了应答器系统。其实就是在路面上放这样的应答器（类似于一个RFID标签）。应答器会在弯道入口前若干距离放置，主要包含该弯道的一些重要参数，包括当前位置（比GPS要精确鲁棒性高），限速，坡度，倾角等等诸多信息。应答器不需要电池就能工作（因而可靠性非常高），列车通过车载接收机线圈供电激活应答器，并从应答器中读出相关信息。列车根据自身条件（包括车速、车型、重量等等信息）和应答器提供的信息自动控制列车安全通过弯道。实际上应答器不仅仅在弯道处才使用，铁路一般每隔几公里就会部署这样一个应答器。
这样是不是就万无一失了呢？2007年2月28日新疆乌鲁木齐到阿克苏列车出轨造成11节车厢出轨，相信上知乎的朋友大概都有印象。当时列车按规定时速行驶，那为什么还有问题呢？因为没有考虑动态因素！列车通过一个固定地方的运行环境并不是一成不变的，当地的13级大风就是造成新疆火车出轨的原因。列车高速行驶时，同汽车一样会产生向上的升力，造成对铁轨的压力和抓力不足，如果此时遇到大风、寒冷造成的铁轨缝隙变大、甚至土层松动产生的铁轨小凹陷，长期使用产生的磨损等等原因都会造成动态最高速度变小。于是有了更先进的主动式应答器。这种应答器会从路边的控制设备采集列车动态运行数据和环境数据，动态调整允许的最高时速。注意下面的应答器拖了一个长长的线缆。
更先进的系统采用GSM-R通过无线电来完成列车和控制系统的交互，甚至用GSM-R来做列车和列车之间的间距控制。而上述的限速基本功能只是这个系统非常小的一部分了。
我们能学到什么呢？一个高效的自动化系统要想达到非常高的可靠性，一定要消灭肉体的人在自动化环节的存在。人只能作为紧急情况纠正错误的处理分支存在——即使这样人也会犯愚蠢的错误。比如2011年7.23特大事故就是自动化环节故障（要求后车降速行驶），而人这个紧急纠错处理分支犯错（要求后车继续高速行驶）造成的。
似乎不完全符合题主（物理学标签）的意愿，但我想：认识到现实系统的复杂性，认识到我们中学大学所学习的知识仅仅是现实世界的高度简化和抽象，也许能帮助我们增加思考问题的深度和广度。