חשמלית

חשמלית היא כלי תחבורה ציבורית הנעה על מסילה ברחובות ערים. אף שהיא נעה על גבי מסילה, תנועתה משולבת בתנועת כלי רכב אחרים הנעים במקביל או חוצים את המסילה. רובן המוחלט של החשמליות מונעות באמצעות חשמל, ומכאן שמן, אף שכלי תחבורה דומים הונעו גם באמצעות סוסים, קיטור, גז ועוד.

מונחים והגדרות

ברוב המקומות בעולם החשמלית מכונה בשם טראם (Tram), שמקורו בסקוטית. עם זאת, בארצות הברית השימוש במונח מתייחס דווקא לרכבות ללא מסילה, כפי שיש לעיתים בפארקי שעשועים. ריבוי המונחים והמשמעויות השונות בעולם, סוגי כלי הרכב, והגבולות הרופפים ביניהם הופכים את הגדרת החשמלית לבלתי מדויקת.

היסטוריה

הקרון העירוני הראשון שנע על מסילה החל פעילותו בדרום ויילס ב-1807. זה היה קרון שנגרר באמצעות סוסים. בשנות ה-30 של המאה ה-19 החל שירות דומה בשדרה הרביעית בניו יורק, וקו שנפתח בניו אורלינס ב-1835 נחשב לקו הוותיק ביותר שפועל באופן רציף עד ימינו, אך הוא אינו מונע עוד באמצעות בעלי חיים. אף שאמצעי תחבורה זה דומה במידת מה לכרכרות סוסים, יתרונה של מסילת הברזל הוא ביכולת לספק נסיעה חלקה עם חיכוך נמוך שמטיל מאמץ פחות על הגורם המניע. המסילות הראשונות בלטו מעל פני השטח, אך החל משנות ה-50 של המאה ה-19 נעשה שימוש במסילות שקועות שהקטינו את ההפרעה להולכי רגל וכלי רכב אחרים ברחובות העיר.
השימוש במנועי חשמל להחלפת הסוסים החל בסוף המאה ה-19, אך במקביל נעשו ניסיונות לשימוש באמצעים אחרים. מנועי קיטור נכנסו לראשונה לשימוש במושבות האימפריה הבריטית בשנות ה-80 של המאה ה-19, למשל בניו זילנד. מנועים אלו היו חלשים עקב המקום הצפוף עבורם בקרון עירוני, ולא זכו לשימוש נרחב. 
במקביל החל שימוש בשיטת ההנעה באמצעות כבל מניע, שיתרונה הגדול היה בכך שבה לא נדרש כלל מקום ליחידת הנעה. ב-1873 נחנך קרון הכבל של סן פרנסיסקו, והוא עדיין נמצא בשימוש גם בתחילת המאה ה-21. שיטת הנעה זו מתבססת על תחנת מנועים ראשית הנמצאת במיקום כלשהו סמוך לקו, בדומה לחדר מנועים של רכבל. מתחנה זו מושחל כבל בין פסי המסילה לאורך כל תוואי המסילה בכיוון אחד, ובקצה הקו הוא חוזר אל תחנת ההנעה במסילת הכיוון הנגדי. הכבל נגיש לקרון הנוסעים כך שזרוע היורדת מהקרון יכולה להיאחז בכבל או לשחרר אותו, בהתאם להחלטת נהג הקרון. בעוד שהכבל ממשיך בתנועתו באופן רציף, הקרון יכול להאט ולעצור בתחנות על פי הצורך. עם זאת, מהירות התנועה של הכבל מוגבלת ובדרך כלל היו טראמים מסוג זה אטיים ולא נעו במהירות העולה על כמה עשרות קילומטרים לשעה. מערכת הקרונות בסן פרנסיסקו נעה במהירות של 15 קילומטר לשעה.
בסוף המאה ה-19 נעשו ניסיונות להנעת קרונות באמצעות כמה סוגי גז, למשל גז של נפטא או של פחם. הטראם הראשון נע ב-1886 בפרבר של מלבורן, אוסטרליה. שיטות הנעה נוספות התבססו במקרים בודדים גם על מנוע בנזין ודיזל. לעומתם, הניסיונות להנעה באמצעות חשמל זכו להצלחה רבה והפכו לשיטת ההנעה הנפוצה החל משנות ה-80 של המאה ה-19. מתוך שלוש שיטות להזנת החשמל לקרון, שיטת ההזנה באמצעות כבלי חשמל עיליים הפכה לנפוצה ביותר. הנעה באמצעות סוללות נכשלה עקב חוסר היעילות של סוללות באותה התקופה, והנעה באמצעות חשמל שהוזרם במסילה עצמה נכשלה עקב הסיכון הבטיחותי של התחשמלות הולכי רגל.
ניסיון ראשון להנעת קרון סוסים באמצעות חשמל היה בסנקט פטרבורג ב-1880. שנה אחר כך בוצע ניסוי דומה בברלין על ידי ארנסט ורנר פון סימנס, שהתבסס על חשמל במסילה עצמה, אך עקב בעיות הבטיחות הוא הוחלף בסביבות 1890 בכבל עילי המזין את הקרון בחשמל באמצעות קשת הזנה (Bow collector). שירות הטראם החשמלי הראשון שפעל באופן סדיר היה בדרום וינה, החל מ-1884 והזנת החשמל שלו הייתה מבוססת על זרועות הדומות לפנטוגרף רכבות. טיפוס שלישי של אמצעי להזנת מתח מכבלים עיליים הוא מוט עם גלגל בקצהו (Trolley pole) שנוסה לראשונה בתערוכה בטורונטו ב-1885. עם השנים הפכה הזנת הפנטוגרף לנפוצה ביותר, מסיבות של יעילות, בטיחות ואמינות.
בתחילת המאה ה-20 המשיך הגידול העקבי במספר הערים ובאורך המסילות של מערכות החשמליות. עם זאת, ההתקדמות במנועי בעירה פנימית ובמיוחד בהתאמתם לאוטובוסים, החלה להוות תחרות לחשמלית. התגברות השימוש באוטובוסים בין מלחמת העולם הראשונה למלחמת העולם השנייה עצר את פיתוח החשמלית וערים רבות נמנעו מלהוסיף קווים חדשים. גם גידול השימוש בכלי רכב פרטיים תרם לירידה בפופולריות של חשמליות ושל תחבורה ציבורית בכלל. בשנות ה-50 של המאה ה-20 אף החלה בארצות רבות מגמה של פירוק קווי חשמלית. במנצ'סטר באנגליה לדוגמה, ננטשה המערכת לחלוטין ב-1949, ובערים אחרות נרכשו קווי החשמלית על ידי חברת האוטובוסים המקומית, רק כדי לפרק אותה לאחר מכן, כפי שקרה לדוגמה ב-1960 בסוונסי בוויילס.
ההשקעות הממשלתיות בשנות ה-60 וה-70 של המאה ה-20 נטו לכיוון הרחבת כבישים ורשתות האוטובוסים, כפי שטען נשיא צרפת, ז'ורז' פומפידו ב-1971, כי "העיר צריכה להתאים את עצמה למכונית". קווי חשמלית קיימים המשיכו לפעול בערים שונות, אך הזנחת התשתיות והציוד הגבירה את קצב נטישת החשמלית. במדינות רבות באסיה ובדרום אמריקה נעלמו החשמליות לחלוטין. בצרפת, בריטניה, ספרד ואירלנד נותרו מערכות בודדות וכך גם באמריקה הצפונית בה נותרו חשמליות בערים בודדות כדוגמת פילדלפיה, ניוארק, טורונטו וסן פרנסיסקו, מתוך מאות ערים בתחילת המאה ה-20.

הנעה בחשמל

כיוון שהנעה על ידי מנוע חשמלי שמקור המתח שלו נע עם הקרון (באמצעות סוללות לדוגמה) לא הייתה ישימה, וגם בתחילת המאה ה-21 אינה מעשית עדיין, נוצר הצורך בהזנת מתח חיצונית. שיטה אחת להזנת המתח מתבצעת באמצעות המסילה או כבלים תת-קרקעיים נוספים, אך נותרה נדירה יחסית בגלל בעיית הבטיחות של הולכי הרגל. בעוד שברכבות תחתיות, בהן להולכי הרגל אין גישה למסילה, בחשמליות ישנה סכנת התחשמלות, אם אדם בא במגע בשני הקטבים (בין שני פסי המסילה או עם פס שלישי) שבהם המתח השורר הוא בין מאות לאלפי וולט. 
מערכות הזנה תת-קרקעיות לחשמליות היו קיימות בערים גדולות כדוגמת פריז וניו יורק בתחילת המאה ה-20, אך הן נזנחו לטובת מערכות רכבת תחתית או חשמליות בעלות הזנה מכבלים עיליים. עם זאת, ההזנה בכבלים עיליים נחשבת מפגע אסתטי, ולכן בתחילת המאה ה-21 נעשו מאמצים לייצר הזנת חשמל קרקעית בטוחה. דוגמה בולטת לניסיון כזה נמצאת ברכבת הקלה של בורדו, שם מערכת מסילות של חברת אלסטום, המכונה APS, מחלקת את המסילה למקטעים ומזינה בחשמל רק את הקטע שהקרון נמצא מעליו באותו רגע.
שיטת ההזנה שהפכה לנפוצה ביותר היא באמצעות כבלים עיליים הפרושים בין עמודים בתוואי המסילה. בניגוד לטרוליבוס, הזקוק לשני כבלי חשמל עיליים עבור שני הקטבים, בחשמלית הנעה על מסילה ניתן להסתפק בכבל בודד ולהשתמש באחד מפסי המסילה כדי לסגור מעגל. קבלת המתח מהכבל התבצעה לרוב באמצעות פנטוגרף, שנמצא עדיף על מוט עם גלגל בקצהו (Trolley pole) ועל קשת הזנה עם מוט קשיח (Bow collector). קשת ההזנה היא גרסה פשוטה של פנטוגרף, שיש לו פחות גמישות להתאים את עצמו לכבל ההזנה. מוט עם גלגל נותר נפוץ עבור טרוליבוסים עקב התאמתו לחופש התנועה הנדרש מכלי שאינו נע על מסילה, אך בתוואי מסילה הוא סובל מחיסרון של איבוד הכבל לעיתים, ושל הצורך להפוך אותו בקרונות הנעים בשני כיווני המסילה. 
הפנטוגרף המקורי מסוף המאה ה-19 היה בצורת יהלום ושלט בחשמליות בחצי הראשון של המאה ה-20. הוא שומר על קשר רציף עם קו החשמל באמצעות לחץ קפיצים מתחת לקו החשמל. הוא מאפשר עבודה בשני כיווני התנועה וכך חשמלית יכולה לנוע בכיוון הנגדי של קו שירות ללא צורך בסיבוב הקרון או סיבוב פיזי של מכשיר ההזנה. פנטוגרף היהלום הוחלף בהדרגה בפנטוגרף Z שהפך לנפוץ ביותר גם ברכבות קלות ורכבות מהירות, עקב התאמתו למהירות גבוהה.

גובה הרצפה

חשמליות שנבנו לפני סוף המאה ה-20 היו תמיד בעלות גובה רצפה של לפחות חצי מטר, שחייב טיפוס מדרגות מגובה הכביש או המדרכה. במקביל להתפתחות בתכנון קרונות ברכבות קלות, נבנו גם קרונות חשמלית עם רצפה נמוכה המאפשרת נגישות גם למשתמשים בכיסא גלגלים ממדרכה מעט מוגבהת. לדוגמה, קרון סיטי קלאס של חברת Tram Power הבריטית הוצע בגרסה בעלת גובה רצפה של 300 מילימטר, להבדיל מגובה רגיל של 760 מילימטר. 
גובה רצפה נמוך ואחיד לכל אורך הקרון הטיל בדרך כלל מגבלות על גמישות החוגונים ולכן יצר שחיקה מוגברת ומגבלות על רדיוס הסיבוב בתוואי המסילה. כך נאלצו קרונות רצפה נמוכה לנוע לאט יותר בהשוואה לקרונות רגילים. בתור פתרון ביניים, יוצרו לעיתים קרונות בעלי רצפה נמוכה באופן חלקי, שבהם יש מדרגות בין חלקי הקרון השונים. פתרון למגבלות הרצפה הנמוכה הוצג ב-2009 על ידי חברת סקודה טרנספורטיישן בדגם 15‎ T. בדגם זה החוגונים הם בעלי חופש תנועה והם יוצאים מקו ההיקף של הקרון בעת סיבוב, וכך מאפשרים תנועה גם בתוואי מסילה מפותל של קווי חשמלית.

עם מפרקים

חשמליות מפרקיות הומצאו ונכנסו לשימוש לראשונה בבוסטון ב-1913. אורכן היה כ-12 מטר והן כללו, בדומה לאוטובוס מפרקי, מפרק גמיש ומשטח רצפה עגול באזור המפרק, שנע בהתאם לרדיוס הפניה במסילה. מספר המפרקים בחשמליות אינו מוגבל למפרק בודד, וכך לדוגמה, לחשמלית בבודפשט יש חמישה מפרקים ואורכה הכולל עומד על 53 מטרים. השימוש במפרקים מאפשר קיבולת נוסעים גדולה יותר לשטח נתון ולכן השימוש בחשמליות כאלו נפוץ בקווים עתירי קיבולת נוסעים. דגם Avenio של חברת "סימנס מוביליטי" מאפשר שימוש בשניים עד שמונה מקטעים של תשעה מטרים. כך אורך החשמלית יכול לנוע בין 18 ל-72 מטרים. מפרקים קיימים בחשמליות עם רצפה גבוהה וגם ברצפה נמוכה. ב-Skoda 15 T בעל הרצפה הנמוכה במלואה, החוגונים בחיבור בין המקטעים הם מסוג ג'ייקובס, בהם כל חוגון נושא משקל של שני מקטעים המחוברים ביניהם במפרק.