La linea Cagliari-Mandas-Isili fa parte del primo blocco di ferrovie secondarie realizzate in Sardegna date in concessione dal Governo alle Strade Ferrate Secondarie Sarde. La linea fu insieme alla Monti-Tempio la prima ferrovia secondaria ad entrare in servizio in Sardegna allorchè venne aperta al pubblico il 15 febbraio 1888.
Originariamente era lunga 82 km ed il capolinea di Cagliari si trovava in Viale Bonaria ai piedi della famosa basilica. Dopo Bonaria la linea correva sulla attuale Via Dante e districandosi nella periferia cagliaritana raggiungeva Monserrato attuale capolinea della tratta. Il 1º dicembre 1968 il capolinea cagliaritano di Viale Bonaria venne abbandonato e fu smantellata la linea sino al nuovo capolinea di Piazza Repubblica. Anche in questo caso le lamentele per la ferrovia che penalizzava il traffico automobilistico ebbero la meglio. Negli anni settanta venne demolita l'ottocentesca stazione di Viale Bonaria ed al suo posto si realizzarono degli edifici bancari mentre le rimesse e le officine vennero spostate nella frazione di Monserrato.
Lasciata la periferia di Cagliari, la linea attraversa le località del Parteolla, della Trexenta del Sarcidano e del Mandrolisai lungo territori pianeggianti e lievemente collinari; per la realizzazione della linea non furono necessarie grandi opere d'arte. Mandas sarebbe diventato uno snodo importante perchè da quì la linea avrebbe proseguito per Isili lungo la linea per Sorgono ma soprattutto, da li a pochi anni, si sarebbe completata la più spettacolare delle ferrovie sarde ossia la linea per Arbatax.
Il primo gennaio del 1921 le SFSS vennero assorbite dalle Ferrovie Complementari della Sardegna e quello stesso anno lo scrittore inglese David Herbert Lawrence pubblicò il libro "Mare e Sardegna" cui dedicò parecchie pagine al racconto del viaggio fatto su questa linea.
Durante la seconda guerra mondiale la ferrovia ebbe notevole importanta in quanto consentì a migliaia di cagliaritani di scappare dalla città durante i bombardamenti Alleati. La stessa stazione di Bonaria venne pesantemente danneggiata dalle bombe anglo-americane. Dopo la fine del conflitto la ferrovia venne sottoposta a lavori di adeguamento consistenti nella realizzazione di diciotto varianti per quasi 10 km di lunghezza ed alla sostituzione totale dell'armamento. Come accaduto nel resto dell'isola, sul finire degli anni '50, la linea venne dotata di nuovo materiale a trazione diesel composto sia da automotrici che da locomotori.
Nel 1989 le FCS si fusero con le Strade Ferrate Sarde dando vita alle FdS rette da un commissario governativo. Nel 1997 le FdS passarono sotto il controllo delle FS che immediatamente chiusero al trasporto pubblico la diramazione Mandas-Arbatax e la Isili-Sorgono. Le due linee vennero destinate a servizio turistico con la denominazione di Trenino Verde.
A metà anni novanta la linea subì nuovi interventi al tracciato questa volta più incisivi di quelli del dopoguerra; diverse curve vennero rettificate, si realizzarono diverse varianti da percorrere a velocità più alta ed a lavori ultimati la lunghezza totale della linea scese a 77 km. Il tratto urbano tra Cagliari Piazza Repubblica e Monserrato venne trasformato in servizio ferroviario urbano e fu integrato di nuove fermate intermedie. Qualche anno più tardi, la tratta urbana Cagliari-Monserrato venne definitivamente trasformata in metrotranvia di Cagliari. La stazione di Piazza Repubblica divenne il terminal della nuova metrotranvia ed il capolinea per Mandas venne trasferito nella stazione di Monserrato. Il 17 marzo 2008 i treni FdS hanno raggiunto per l'ultima volta il centro di Cagliari, in quella occasione veniva inaugurata la linea 1 della metropolitana leggera cittadina.
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