回想起童年學習騎自行車的時光，無數次摔倒后，終于掌握這項技能的那一刻，興奮與激動溢于言表，總是迫不及待地想向朋友們炫耀自己的 “掏騎” 絕技。

在我們眼中，騎自行車似乎并非難事，可大家是否深入思考過，自行車究竟是如何保持穩定的呢？

自行車的自我穩定堪稱物理學上的一大奇跡。

一個僅靠兩個輪子支撐的裝置，不僅能穩穩站立，還能靈活調整穩定性以實現平衡，甚至在無人駕駛的情況下也能維持不倒，這種神奇的表現，仿佛帶有魔法一般。

著名作家與未來學家亞瑟?C?克拉克先生曾說過：“任何足夠先進的技術都與魔法無異。” 這句話用來形容自行車的平衡原理，似乎再恰當不過。

如今常見的自行車看似構造簡單，實則經歷了漫長的發展歷程。

19 世紀 60 年代的老式自行車，采用無橡膠輪胎，車身和輪胎皆由鐵制成。騎行這種自行車的體驗十分獨特，難以用言語形容，尤其不建議男同學嘗試，其中緣由，相信大家不難理解。

隨著時間推移，自行車制造技術不斷革新，如今已相當先進。

關于自行車能夠保持直立的原因，科學界存在多種假設。

其中一種較為知名的是陀螺效應。

陀螺儀由固定在軸上的金屬輪子以及固定二者的金屬框架組成，輪子可自由旋轉。當輪子靜止時，想要讓陀螺儀直立是極為困難的。

然而，一旦使輪子高速旋轉，就會出現神奇的現象：它能夠自由地直立旋轉，并且對外界試圖改變其方向的作用力具有較強的抵抗能力。

比如，用一根線提起陀螺儀的一端，其另一端就如同被一只無形的手穩穩握住，依然能夠保持穩定。快速旋轉的自行車輪子，與大多數繞軸旋轉的輪子一樣，具備陀螺儀的特性。

在旋轉的自行車車輪中，存在著角動量。

角動量是與自行車轉速以及質量分布密切相關的內在特征，其中包括車輪自身的質量。仔細觀察不同設計的自行車，會發現輪轂周圍通常有集中的質量分布，這樣的設計旨在增加特定速度下自行車的角動量。

陀螺儀因其出色的保持位置穩定的能力，成為飛機和太空探索飛行器中不可或缺的導航工具。簡單來說，自行車輪子所呈現的陀螺效應，能夠確保旋轉的輪子持續轉動，并維持其旋轉軸的位置，進而對自行車的穩定起到一定作用。

不過，認為陀螺效應是自行車不倒的唯一原因，這一觀點存在漏洞。

陀螺效應或許對摩托車騎手較為重要，因為摩托車車輪既重且轉速快。

但對于那些在夜晚悠閑騎行的老年人而言，他們騎車速度極慢，此時陀螺效應幾乎可以忽略不計，而且自行車車輪相對較輕，難以提供足夠的輪軸穩定性。回憶一下自己學習騎自行車時滿身的淤青，就會明白，僅靠陀螺效應，并不足以讓我們輕松地推著自行車跳躍前行。

除了陀螺效應，腳輪效應也是解釋自行車穩定的一種假設。

以自行車前部位于圖像左側為例，當存在正后傾角時，角度 θ 表示后傾角，它以度數為單位，體現了車輪垂直軸（用灰色垂直線表示）與轉向軸（用紅色虛線表示）之間的角位移。

若轉向軸（紅色虛線）從自行車（機器）后部向前傾斜，后傾角 θ 為正值；若轉向軸從自行車或機器前部向后傾斜，后傾角 θ 則為負值。

腳輪效應在日常生活中十分常見，比如在超市拖動購物車時，我們會注意到購物車的輪子能夠自動對齊或重新定位方向，始終跟隨購物車的運動方向改變而調整，兩個輪子總是試圖保持在同一條直線上。

自行車同樣如此，即便方向發生變化，車輪也能始終在騎手下方保持對齊，這便是腳輪效應對自行車穩定的作用體現。

然而，荷蘭代爾夫特理工大學的自行車動力學專家阿倫德?施瓦布（Arend L. Schwab）指出，陀螺效應和腳輪效應并非自行車實現自我穩定的必要條件。

2011 年，研究人員發表了一篇名為《自行車可以在沒有陀螺或腳輪效應的情況下自我穩定》的科學論文，通過設計一款無人駕駛的自行車，有力地證明了這兩種效應并非自行車穩定性的關鍵因素。

這款特殊設計的自行車，不僅缺乏常見的自我控制特性，而且在運動過程中能夠自動修正自身狀態。在深入研究中，他們發現質量分布、轉向傾斜軸等多種設計參數，以復雜的方式共同影響著自行車的穩定性。

盡管目前關于自行車穩定原理的研究仍在持續進行，但這些發現無疑為我們理解自行車的平衡之謎提供了全新的視角。