为什么自行车骑起来就不倒了？

自行车不倒和硬币不倒的原因基本一样：凡是高速转动的物体，都有一种能保持转动轴方向不变的能力，使它们不向两侧倒。陀螺能够不倒也是这个道理。我们骑车时是在前进的方向上给自行车一个力，使车轮转动起来，车轮就能保持一定的平衡状态，再利用车把调节一下平衡，自行车就可以往前走了。可是一停下来，车子就会因失去平衡倒下来。接着下来的问题是，这个“人－车”系统的平衡是如何实现的？其实，人扶着自行车的时候，这个系统已经是平衡的了（假设匀速行走）――人车的重力、支持力、摩擦力、空气阻力的合力为零。车由扶着推着变成行走，对于整个人车系统来说只是由速度较小的匀速运动连续过度到速度较大的匀速运动而已（期间的变力的加速度由人的姿势和不断变化的阻力和摩擦力所抵消而实现保持平衡）。至于上车前后的摇摆，只是人通过调整姿势来调整整个系统的质量分布来实现新的平衡，也就是消除支撑点变化所带来的不稳定。严格来说，人的走路是一个重心不断变化的近似匀速的变速运动――我在此定义为“微变速运动”。人推车时也是一个“微变速运动”。骑车的时候，人车系统也是一种加速度很小的“微变速运动”，严格说来，人车系统不是处在平衡状态，而是加速度很小且不断变化的大致上的“平衡”状态。在上车前后，人车系统的加速度相对比较大（其实也不大），人和车各自的质量分布在较“剧烈”地变动，但整个人车系统是保持“微变速”平衡的。运动中如果有一些小震动，人可以通过调整姿势来实现新的平衡。在高速转弯的时候，人和车都是倾斜。另外，自行车与地面是两个小面接触，不是点接触。另外，车静止，没有人扶的时候跟人车系统运动时相比，质量较小、速度为零，接触面较小。所以一个小小的干扰都会使重心投影偏离支撑面――而自行车又不会像人那样调整姿势。而人车系统速度大了，质量大了，支撑面也大了一点点。外扰的加速度在人车速度方向上的投影――加速度分量――对较大的人车速度的改变是极小的。也就是说，系统的速度大了，相对地，它的抗干扰能力就强了。这不是惯性的问题
自行车只有2个轮子，却为什么可以保持平衡呢？甚至，高手在骑车的时候，可以双手离开车把，任由车子向前走而不担心摔倒（但要担心前面呼啸而来的汽车）。物理学家拿出一个陀螺，放在地上转一下，并开始用鞭子使劲抽打它，随着陀螺越转越快，陀螺也像不倒翁一样，虽然只有一个尖着地，却左右摇摆而不肯倒下。这就是陀螺效应：旋转的物体有保持其旋转方向（旋转轴的方向）的惯性。 陀螺只有一个旋转方向，已经很稳定了。而自行车有2个轮子，显然自行车轮子在高速旋转的时候，会使自行车更稳定。因此，骑车人撒开车把也不会倒下。 但遗憾的是，这并非一个合理的解释。 陀螺效应在保持自行车稳定中也许起到不可忽略的效果，但是，如果自行车单单凭借陀螺效应保持稳定，那么，初学者也应该在高速骑车时不会倒下。但是，2个陀螺似乎并不足以支撑骑车人重达几十公斤的身体的倾斜。刚学习骑车往往会摔得很惨。从另一个方面看，骑独轮车的杂技演员由于车速很低，甚至车轮完全停止转动，则基本无法依靠陀螺效应保持平衡。 自行车的平衡首先来自于骑车人腰部的肌肉。熟练的骑车人，其身体形成自动的条件反射，当自行车稍微倾斜倒下时，人的身体会感受到，腰部肌肉会自动动作，把身体拉向另一侧，形成的反向力矩促使车身抬起。我们学习骑自行车，也就是训练身体的肌肉完成这种条件反射，而一旦学会，这个控制回路就保持在小脑中，随时可以启用，许多年也不会忘记。 但是高速骑车时，会感觉车子比刚刚起步的时候稳定，这又是为什么呢？ 自行车本身的平衡机制，来自于前叉后倾。我们可以观察到，几乎每辆自行车的车把轴，都不是与地面完全垂直，而是后倾的。由于前轮是固定在车把的前叉上，因此又叫前叉后倾。前叉后倾，使车辆转弯时产生的离心力其所形成的力矩方向，与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。这样，车子就有了自动回正的稳定性。车速越快，所造成的恢复力矩越大，骑车人就越感到稳定。这就是高速骑车时，会感觉车子比刚刚起步的时候稳定的原因。 一般而言，车子前叉越后倾，车子越稳定，但转动车把越费劲；而后倾角度小，转把较容易，但车子的稳定性不够。但如果自行车完全没有前叉后倾，那么，骑自行车会是一件很痛苦的事情。 自行车其实是相当复杂的力学体系，而汽车的前轮定位更加复杂。有主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束，这保证开车的时候车子尽可能稳定，但又减少轮胎的磨损。