腳踏車的平衡首先來自於騎車人腰部的肌肉。熟練的騎車人，其身體形成自動的條件反射，當腳踏車稍微傾斜倒下時，人的身體會感受到，腰部肌肉會自動動作，把身體拉向另一側，形成的反向力矩促使車身抬起。我們學習騎腳踏車，也就是訓練身體的肌肉完成這種條件反射，而一旦學會，這個控制迴路就保持在小腦中，隨時可以啟用，許多年也不會忘記。

　

但是高速騎車時，會感覺車子比剛剛起步的時候穩定，這又是為什麼呢？ 腳踏車本身的平衡機制，來自於前叉後傾。我們可以觀察到，幾乎每輛腳踏車的車把軸，都不是與地面完全垂直，而是後傾的。

由於前輪是固定在車把的前叉上，因此又叫前叉後傾。前叉後傾，使車輛轉彎時產生的離心力其所形成的力矩方向，與車輪偏轉方向相反，迫使車輪偏轉後自動恢復到原來的中間位置上。這樣，車子就有了自動回正的穩定性。車速越快，所造成的恢復力矩越大，騎車人就越感到穩定。這就是高速騎車時，會感覺車子比剛剛起步的時候穩定的原因。

一般而言，車子前叉越後傾，車子越穩定，但轉動車把越費勁；而後傾角度小，轉把較容易，但車子的穩定性不夠。但如果腳踏車完全沒有前叉後傾，那麼，騎腳踏車會是一件很痛苦的事情。

物理學家拿出一個陀螺，放在地上轉一下，並開始用鞭子使勁抽打它，隨著陀螺越轉越快，陀螺也像不倒翁一樣，雖然只有一個尖著地，卻左右搖擺而不肯倒下。這就是陀螺效應：旋轉的物體有保持其旋轉方向（旋轉軸的方向）的慣性。

陀螺只有一個旋轉方向，已經很穩定了。而腳踏車有2個輪子，顯然腳踏車輪子在高速旋轉的時候，會使腳踏車更穩定。因此，騎車人撒開車把也不會倒下。

但遺憾的是，這並非一個合理的解釋。

陀螺效應在保持腳踏車穩定中也許起到不可忽略的效果，但是，如果腳踏車單單憑藉陀螺效應保持穩定，那麼，初學者也應該在高速騎車時不會倒下。但是，2個陀螺似乎並不足以支撐騎車人重達幾十公斤的身體的傾斜。剛學習騎車往往會摔得很慘。從另一個方面看，騎獨輪車的雜技演員由於車速很低，甚至車輪完全停止轉動，則基本無法依靠陀螺效應保持平衡。

腳踏車的平衡首先來自於騎車人腰部的肌肉。熟練的騎車人，其身體形成自動的條件反射，當腳踏車稍微傾斜倒下時，人的身體會感受到，腰部肌肉會自動動作，把身體拉向另一側，形成的反向力矩促使車身抬起。我們學習騎腳踏車，也就是訓練身體的肌肉完成這種條件反射，而一旦學會，這個控制迴路就保持在小腦中，隨時可以啟用，許多年也不會忘記。

但是高速騎車時，會感覺車子比剛剛起步的時候穩定，這又是為什麼呢？

腳踏車本身的平衡機制，來自於前叉後傾。我們可以觀察到，幾乎每輛腳踏車的車把軸，都不是與地面完全垂直，而是後傾的。由於前輪是固定在車把的前叉上，因此又叫前叉後傾。前叉後傾，使車輛轉彎時產生的離心力其所形成的力矩方向，與車輪偏轉方向相反，迫使車輪偏轉後自動恢復到原來的中間位置上。這樣，車子就有了自動回正的穩定性。車速越快，所造成的恢復力矩越大，騎車人就越感到穩定。這就是高速騎車時，會感覺車子比剛剛起步的時候穩定的原因。

一般而言，車子前叉越後傾，車子越穩定，但轉動車把越費勁；而後傾角度小，轉把較容易，但車子的穩定性不夠。但如果腳踏車完全沒有前叉後傾，那麼，騎腳踏車會是一件很痛苦的事情。

腳踏車其實是相當複雜的力學體系，而汽車的前輪定位更加複雜。有主銷內傾、主銷後傾、前輪外傾和前輪前束，這保證開車的時候車子儘可能穩定，但又減少輪胎的磨損

對腳踏車的“溺愛”可能不光是你從荷蘭看到的高普及率，同時，那裡熱愛腳踏車的工程師還非得打破砂鍋問到底，十分蛋疼地挑戰我們固有的觀念——關於腳踏車是怎樣保持平衡的，即使在我們的愛車一直被擠被蹭。

這個研究團隊發現正是一些我們之前不能察覺的因素使腳踏車不倒，而且做出了一大批不同尋常的新設計，它們按我們常規思考是不可能保持穩定的。

“我們相信要提升腳踏車的操控性，還是有空間的” Arend Schwab說，這是一位來自德爾福特大學（Delft University）在工程力學領域的專家。

一輛傳統的腳踏車在行駛過程中總是非常的穩定。即使沒有駕駛者，它也能滑動相當長的距離而不傾倒。早在1910，科學家認為腳踏車的穩定性靠的是前輪，它有著想陀螺一樣的功能。當轉輪開始傾斜，它會讓龍頭順著傾斜方向轉動，牽著車體走出一條曲線保持直立。

在1970年，David E.H. Jones，一名來自英國帝國化工集團（ICI）的一名光譜分析家，為了驗證上面的解釋，他嘗試製作了一輛不能騎的測試腳踏車。他在後輪的車架上安裝了一個附加輪以抵消陀螺效應。這樣的腳踏車只是穩定性變差了——還不至於不能騎，雖然當初沒有設計把手。

Jones 嘗試尋找其他的穩定效應來解釋，最後得到一個結果，與購物車的腳輪的原理接近。當你扶著一輛車，推它向另一邊，重力會使輪子轉向。這個“軌道效應”是基於前輪位置與連線輪子和把手的“操控軸”存在有相對的夾角。Jones發現，只要把輪子前推幾英尺，一般的腳踏車就會失去穩定性。

這篇論文發表在《今日物理》（Physic Today）上，描述了這些實驗。它被廣泛地閱覽，而且也傳到美國科瓦利斯一所高中。在這裡上學的Ore. Jim Papadopoulos還是一名競技腳踏車運動員。當時的他對數學還沒有什麼認識，知道研究生階段，這開始困擾他了。

“我花了30年才正視這個”Papadopoulos說，現在的他是位於梅諾莫尼威斯康辛大學斯托特分校的一名工程師。“Jones的論文並不是闡述一種掉落的物理，相反地，他解釋了物體維持穩定的原因。”

Papadopoulos 召集一批康奈爾大學的研究者和一支來自荷蘭的隊伍，組織成一支新的研究團隊。他們致力於製成一種新型的腳踏車，是不含陀螺和軌跡的。他們的沒有駕駛者的新發明，安裝有兩個反轉的輪子，在轉向軸之前還有一個觸地的輪子，這樣在滑行狀態也能穩定。如果給它一個側推，車子將會走出曲線，擺正，然後恢復平衡。

“為了使腳踏車自平衡，你並不一定要個陀螺或者軌跡結構”Andy Ruina說，他是來自康奈爾機械工程的教授，並參與了發表在4月15日《科學》上一篇論文的寫作。

這個團隊的研究表明腳踏車要比原來的設想更為複雜。Ruina說，雖然陀螺效應和軌道效應都有助於穩定性的提高，但是還有其他因素諸如質量的分佈，車子當時的慣性。計算機模擬能把這些因素進行綜合考量。這能改進設計出可摺疊或是能拉貨的腳踏車。

為了證明這一理論的可行性，研究人員勾勒了幾種新穎腳踏車的設計草圖。其中一種即使在朝反向作用有負效應陀螺影響下，依然能保持平衡。另外一種，轉向軸是翻轉的，這樣手把就會離前輪中心更遠。

“他們發現一種設計加了尾輪，這樣可以騎了，也能穩定自身。” MIT的退休教授David Gordon Wilson，曾在上個70年代提出現代傾斜腳踏車，如是說，“這是在太令人驚奇了。”

在模擬過程中，他們的新設計原則在加上人的重量後依然有效，但是實際結果要上路試一試。

“我們下一步會研究真實中下有駕駛者的情況，實際的路況十分複雜，我們會用一個裝滿儀器的腳踏車來測試，這樣找到現實中我們是怎樣騎車的”Joel Fajans說。他是加州理工伯克利分析的等離子物理學家，現在研究腳踏車。

因為腳踏車向前移動的慣性所致。與摩托車相比，單車的雙輪角動量太小因此車輪的陀螺平衡效應忽略不計。保持騎行單車的動態平衡很簡單，控制龍頭使車的走向與車身的傾向保持一致，換言之，如車身倒向左就向左拐、倒右則右拐，如圖所示（傾斜度有點誇張），

騎行者和單車的重心向下，等量於地面對輪胎的向上彈力。地面對輪胎的摩擦力也就是單車轉彎所需的向心力。可見，騎單車看似直線行走實為一系列反覆或向左或向右的圓周運動的組合修正。

關於單車，愛因斯坦說過一句很有名的話，“生活就像騎單車，為保持平衡你只有不停地向前走。”不過，他的單車比喻強調個人主義，忽略了生活的倫理、與別人的關係，這一點正好體現了為什麼這位成就的天才不是個成功的丈夫。

腳踏車並也有摔倒的時候，但你可以回想一下，摔倒都是在瞬間完成的。回到本題，腳踏車到底是如何保持平衡的呢？如果是兩個輪子保持平行狀態，中間有橫樑固定兩輪圓心，像三輪車兩個後輪，就可以保持穩定的平衡，但是這樣的構造對方向的控制會非常的困難；而自行可以說是這個結構的極限狀態，不斷縮小兩輪間的垂直距離到0，然後把兩輪分前後，而橫樑仍是連線圓心；但是在騎行過程中前後輪子的垂直距離並不是0，具有一定的穩定性，我們不斷的透過操作控制前輪，使得整個騎行過程中形成一個動態平衡。

而獨立出來的前輪有具有了可以控制方向的作用，但是如果平衡瞬間被打破，我們並沒有時間維持動態平衡。

當然可能有人會想到更深的問題，為嘛操作前輪可以調整平衡呢？這就要說到輪胎的構造，輪胎和地面是以點到線的形式相切，而輪胎面的對稱弧形結構賦予了相切點的可變性，可能說的有點複雜。舉個例子，如果輪胎的面是平平的一塊鐵皮，當平衡失去時我們很難調節回來，當然這種以面相切的形式不容易穩定性更好，但可調性較差。

如果要問，迄今為止人類有過哪些 “ 成熟 ” 的發明。

“ 你已經是輛成熟的腳踏車了，當然可以自己騎自己了！”

只要速度夠快，哪怕是在佈滿了石頭崎嶇不平的山間小路上，腳踏車也可以自如前行（ 對，在無人的情況下 ）。

腳踏車可以說是人類發明過的最高效、萬能的人力驅動交通工具了，也是我們生活中最常見的一種交通工具之一。

在荷蘭，腳踏車的人均保有量曾一度飆到每 100 人就有 109 輛腳踏車的驚人數量。帶菜籃子購物用的，戶外對付山地用的，可以載孩子給媽媽專用的，一個人備上好幾輛，妥妥的車比人多。

不過差友們可能想不到的是，“ 腳踏車到底是怎麼保持平衡的 ”這個問題，至今仍然是個困擾科學界一個多世紀的“ 未解之謎 ”！

要知道， 腳踏車在 18 世紀末就已經被法華人發明出來了。

而這個可以稱得上是世界上第一輛腳踏車的玩意兒，其實跟 “ 自行 ” 沒有半毛錢關係。

它沒有驅動裝置，沒有腳踏板，看上去就是個長了兩個輪子的長條板凳，得靠腳在地上 “ 行走 ” 才能帶動它前進，而想轉向？好，人先給我下來，抱著車體再換方向吧。。。

這設計瞅著安全係數有點低

還好這個讓整個螢幕都透露出原始氣息的設計，沒過幾年就得到了改良。

在 1817 年，來自德國的森林管理員德萊斯發明出了可以控制車子方向的車把子。

雖然還是得靠人腳蹬地來驅動，但好歹，不用搬運轉向了。

1817 年腳踏車的復刻版

至於它騎起來是什麼樣子 ——

既然是靠全靠雙腳蹬地驅動，人在上面動起來的樣子，應該差不多是這樣的吧 ↓

接下來的幾十年的時間裡，腳踏車的設計經過了歐洲多個國家的人不斷改進，代代演變，期間一度變成了非常反人類的造型，比如，下面這個版本的腳踏車，想坐上去，簡直比翻上馬背還難。。。

腳踏車的駕馭難度，曾一度和雜耍齊飛

終於在 1874 年的時候被一個英華人勞森改造出了人人都可以使用的正常模樣。

勞森發明了一種精密的機械結構，也就是我們現在所說的鉸鏈，利用鉸鏈，前輪可以在後輪的傳動下運動，比馬背還高的座椅也終於有機會從直徑超過一米的前輪上移向更低更靠後的位置。

看到這裡，估計差友們也多多少少體會到了，腳踏車，從一開始就不是依託縝密的物理學、數學理論公式設計出來的。

它的誕生，完全依靠人類的生活經驗！

不過存在即合理，腳踏車不僅存在了快兩個世紀，而且還不斷 “ 進化 ”，到現在已經可以不借助人力自己保持平衡了，如此神奇的現象，肯定應該有個能用來解釋它的科學依據吧？

於是乎，科學家們開始倒回去反推它的設計原理，結果發現，誒？這玩意兒玄學了，居然沒法兒用現有的科學理論去解釋！

從 19 世紀末開始，科學界就已經發布了各種論文來解釋腳踏車的穩定性。其中最主流的一種觀點認為，腳踏車的平衡原理是 “ 陀螺效應 ” 。

差友們小時候應該都玩過陀螺吧？

高速旋轉狀態下的陀螺，不管遇到怎樣的外力干涉，它的平衡都很難被破壞掉。

這是因為物體在快速旋轉狀態下，會產生一種叫做 “ 角動量 ”的物理概念。

還是拿陀螺來舉例子。當陀螺不轉動時，它會因為重力倒下，但一旦它開始高速旋轉，就會產生一個方向唯一的角動量。

在下面這張圖中，紅色箭頭所指的方向就是旋轉中陀螺角動量的方向。

用右手定則判定角動量方向

角動量方向一旦形成，就非常難以改變，也就是說如果它的方向是向上的，那就很難把它改變成朝向右上，或者左上。

角動量不是一種力，但它可以表達物體旋轉時的狀態。

而角動量的這一作用有多強大，看下面這張 GIF 你就知道了。。。

上圖左下角的陀螺儀沒有旋轉時，一鬆手就掉了；而當它高速旋轉時，產生的角動量甚至能讓它戰勝重力的影響，繼續掛在繩子上旋轉。

哪怕是質量更大的輪胎也一樣。

而此時，如果對這個高速旋轉的物體施加外力，只有兩種情況，一，物體會為了保持角動量的方向而產生平移；二，物體會被迫終止正在進行的運動，直接 “ 飛 ” 出去。。。

差友們理解到這裡其實就差不多了。

生活中有很多現象都遵循 “ 陀螺效應 ”，比如打水漂，很多人打水漂失敗的原因，多半是因為石頭的旋轉速度還不足以形成讓它保持方向的角動量。

以及玩兒飛盤，飛盤從被扔出去到落回到你的手裡，過程中一直遵循角動量方向不變的規律。

腳踏車當然也一樣了，只要輪胎的旋轉速度足夠高，不管車上是否有人操控，它們都會保持一個幾乎恆定的方向平移前進，（ 這也是為什麼，速度越快的腳踏車突然轉向，越容易翻車 ）

這套理論是不是足夠完整，足以說服你 —— 腳踏車的平衡原理就是因為 “ 陀螺效應 ” 了呢？

瓊斯不僅說了，還設計出了一個不帶陀螺效應的腳踏車，做了實驗釋出在了一本叫 《 今日物理 》 雜誌上！

這輛特製腳踏車特別之處在於它有一大一小兩個前輪！大前輪在小前輪的傳動下，會以不同的旋轉方向轉動，也就是說這兩個輪子的角動量是完全相反的，並且相互抵消，所以這輛車成功在理論上消除了 “ 陀螺效應 ”！

如果不是因為 “ 陀螺效應 ”，那腳踏車又是因為什麼才能保持平衡的呢？

瓊斯提出了一個新理論 —— “ 前輪尾跡 ”理論。

聽上去倒是挺高階的，簡單來說就是因為車輪軸心比車的方向把更靠前， 當車傾倒時，車頭也會朝同一個方向歪掉。

這就意味著在腳踏車行進的時候，傾倒的腳踏車靠著歪掉的車頭，把重心改回到了腳踏車重心的下方，得以保持平衡。

差友們仔細回想一下，騎車的時候，如果車就要朝著左邊倒了，是不是本能地會把車頭把向左邊，來維持平衡？

可在 2011 年，又有人跳出來，做出了一個挑戰極限的終極版腳踏車 —— 它不僅挑戰了 “ 陀螺效應 ”，同時也推翻了 “ 前輪尾跡 ” 理論。

這輛腳踏車的特別之處有兩點：它有四個輪子；同時前輪的軸心比車把靠後！

前輪、後輪分別由兩個輪子組成，而這兩個輪子的旋轉方向是相反的，也就是說前後輪的角動量都被抵消了。

紅色箭頭表示角動量的方向

而車把比前輪靠後，意味著靠 “ 前輪尾跡 ” 改變車體重心，保持腳踏車平衡的理論也站不住腳跟了。

問題來了，這輛車真的還可以不靠人體掌控，自己保持平衡嗎？

答案是：當然可以。。。

據說，看了的科學家都哭了。。。而在此之後，直到今天，依然沒有人找出能完美解釋腳踏車保持平衡的原理。

可能看到這裡，差友們想問了，科學家為啥非得和腳踏車過不去呢？

因為這正是他們畢生努力的意義所在啊：探索這個世界的真相，找到這個世界運轉的真相。

在這一點上，幾百年來我們都做得很成功，從宇宙執行到微觀粒子，科學家都能找到合理的解釋。

但低下頭，盯著自己從家裡騎到實驗室通勤用的腳踏車，發現自己竟然連這麼個簡單玩意兒都沒弄懂，這對他們來說簡直就像強迫症在一張平整的白紙上發現了一條抹不平的摺痕一樣，難受啊。。。

而也正是因為科學家們這樣錙銖必較、上下求索的精神，我們的科技才得以不斷被突破，常議常新，不是嗎？

也許腳踏車保持平衡的真正原因，就藏在競技精神裡吧！

你好，很榮幸能夠回答這個問題，槓哥用自己有限的認知來解釋一下這個問題吧。

首先我們要知道一個概念什麼是慣性，慣性物體保持靜止狀態或勻速直線運動狀態的性質，稱為慣性。慣性是物體的一種固有屬性，表現為物體對其運動狀態變化的一種阻抗程度。

通俗來說，慣性就是保持原有狀態的一種能力，質量越大慣性就越大，腳踏車不會倒的原因就是充分利用了慣性。

我們簡化腳踏車模型，如下立著的橢圓物體：

首先理想狀態下就是我們受到重力mg的重心在地面與橢圓物體接觸點正上方，這樣受力平衡，那麼物體就能保持平衡不會倒。

現實中我們不可能保持平衡，重心不會在地面與橢圓物體接觸點正上方，下設向左偏移了情況如下圖：

如上圖所示，當重心在在物體與地面接觸點的左側，那麼就會有一個逆時針的彎矩，物體就會向左倒，但是我們剛才說了慣性，慣性就是物體保持原有狀態的能力，所以當重心相對於接觸點（支點）有點偏移的時候橢圓物體不會立即倒下，這個時候我們因為長時間練習騎腳踏車，就會條件反射向左轉彎，相當於在橢圓物體底部增加一個向左速度v，使得重心又立即回到支點正上方，以此往復保持了物體平衡，如果重心偏右同樣道理控制。

我們就是利用慣性，利用其不會因為重心偏移物體會立即倒下的特性，透過方向不斷修正重心的偏移，保證腳踏車不會倒。如果你的方向固定死了，不能透過龍頭調整方向的話你的腳踏車就基本不能保持平衡。

我來回答這個問題。首先你這個問題提的非常好，這個看似簡單的問題，已經困擾全世界的科學家200多年。時至今日，仍然沒法確切解釋為什麼腳踏車能保持平衡。

1911年，德國數學家克萊因和物理學家索莫菲爾德在陀螺力學著作中用陀螺效應解釋腳踏車的穩定性。

1948年，美國力學家鐵木辛科和楊在他們所著的《高等動力學》一書中，對腳踏車穩定性問題作出了離心力效應的解釋。他們認為，當腳踏車往一側傾斜時，騎車人就會將前輪轉向同一側，由於前輪轉了一個角度，腳踏車就會沿著傾斜側的圓周行進，這時離心力向圓周外，就會將腳踏車扶正。

　　1970年4月，英國化學家、科普作家大衛·瓊斯在《今日物理》上發文質疑陀螺效應，他給腳踏車增加了一個與前輪並列反向旋轉的副車輪，以消除陀螺力矩。實驗結果證實，改裝車的行駛穩定性與一般腳踏車無異，從而否定了陀螺效應觀點。

　　2011年，《科學》雜誌刊登了一篇名為《一輛腳踏車可以不借助陀螺或腳輪效應而保持平衡》的論文，文中荷蘭達爾福特大學的研究者們否定了維持腳踏車穩定的陀螺效應和腳輪效應。

　　雖然科學家依然沒有得出腳踏車穩定性的確切解釋，但是至少他們得到了一些啟發——陀螺效應、腳輪效應和腳踏車前部重心位置這3點，雖然不會各自對平衡力起決定性作用，但可能三者有一股微妙的互動關聯，影響腳踏車的平衡力。

腳踏車能保持平衡，不只是要考慮力學問題，也許還要考慮操作者的因素，涉及腦科學。人類（包括訓練後的動物）能用很複雜但卻很直觀的方式使得腳踏車保持穩定。

目前，汽車的自動駕駛技術日趨完善，量產的自動駕駛汽車也屢見不鮮，甚至飛機火車也做到了無人駕駛。但是，自動駕駛的兩輪摩托車、電動腳踏車卻沒人見過。因為人類目前掌握的科技，還無法做到。未來十年恐怕也做不到。

我是腳踏車愛好者，下圖是我單車騎行川藏線時候拍攝的。

腳踏車騎行過程中，腳踏車與地面並不是始終保持一個垂直的角度，當腳踏車稍偏左的時候人體就會自動調節平衡而使身體不自覺的往右保持整個腳踏車的平衡不致摔倒，反方向同理，而人體平衡應該是小腦控制的，如果走路騎車要摔倒說明小腦出問題了，就跟走路一樣，出左腿的同時必然出右手，同樣適用於騎車！

腳踏車的車架、輪胎、腳踏、剎車、鏈條等25個部件中,其基本部件缺一不可.其中,車架是腳踏車的骨架,它所承受的人和貨物的重量最大.按照各部件的工作特點,大致可將其分為導向系統、驅動系統、制動系統：

1、導向系統：由車把、前叉、前軸、前輪等部件組成.乘騎者可以透過操縱車把來改變行駛方向並保持車身平衡.

2、驅動（傳動或行走）系統：由腳蹬、中軸、牙盤、曲柄、鏈條、飛輪、後軸、後輪等部件組成.人的腳的蹬力是靠腳蹬透過曲柄,鏈輪、鏈條、飛輪、後軸等部件傳動的,從而使腳踏車不斷前進.

3、制動系統：它由車閘部件組成、乘騎者可以隨時操縱車閘,使行駛的腳踏車減速、停使、確保行車安全.

此外,為了安全和美觀,以及從實用出發,還裝配了車燈,支架等部件.

透過人的腳對腳蹬施加力,從而透過曲柄帶動鏈輪的轉動,鏈輪又透過鏈條帶動飛輪的轉動,飛輪進而後輪轉動.由於後輪與地面的摩擦力,使得後輪與地面不會相對滑動,而後輪在地面上滾動,整個車子就運動起來了.

車停下來時也可以保持平衡,理想狀態下重力過車的支點就可以,不過僅僅是理想狀態下

旋轉的車輪有陀螺效應，會使車穩定前進。但這並不是車不倒全部的因素，是停下來不易保持平衡的重要因素

腳踏車的平衡首先來自於騎車人腰部的肌肉.熟練的騎車人,其身體形成自動的條件反射,當腳踏車稍微傾斜倒下時,人的身體會感受到,腰部肌肉會自動動作,把身體拉向另一側,形成的反向力矩促使車身抬起.我們學習騎腳踏車,