为什么自行车骑起来就不倒了?

Question

为什么自行车骑起来就不倒了?

Answer 1

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.