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自行车骑行的时候是如何获得平衡的呢？要如何解释自行车的平衡原理？
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本帖被 azuretears 执行压帖操作(2019-06-12)
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无论是人骑行的情况，还是无人状态下的自行车，对平衡保持最为关键的就是车把的转角。车把的转动会导致行驶轨迹曲率半径发生改变，由离心力的作用自动扶正车体。举个简单例子，如果大家留意一下，在直线行驶时，当你发现自行车有想左倾倒的趋势时，你会自动向左转动车把，这时车瞬间向左做圆周运动（曲率半径很大，不易察觉），此时车体由于惯性会向右摆。而后车体重心投影又落回两轮接地点的连线之上，这次平衡算是基本恢复了。再说说无人状态下自行车自动平衡的原理。首先从运动学和动力学角度看，自行车算的上是个复杂的系统，各部分的运动牵连关系比较复杂，两轮对地面又有非完整约束，在不考虑轮胎打滑的时候）。在这种前提下并不做简化时，无法写出拉格朗日方程的显式形式，自然对平衡恢复力矩的分析也较为复杂。第一个回答者提到的《科学》中的论文就讨论的这样一件事。他们在尽可能保证模型精确的情况下，在理论上分析了可能影响平衡的各种因素，最终得出之前说的车把转动的影响是主导。另一方面，一些实验也证明了其他因素是可以忽略的。 那么在无人状态下为什么会自动转动？核心在于1.车把转动轴与地面不是垂直的有一个夹角，2.前轮接地点与车把转动轴与地面的交点有一个距离。由于这两点的存在加之合理的车体-前轮质量分布，会造成这种，车体向左倾，车把自动左转的性能。当然了，这对于平衡也不是在任何情况下都灵的。试想，当速度过低时，即便很大的转角也无法提供足够的离心力（直接向左倾倒）；车速过大时，离心力过大，会导致车身甩到另一侧（向右倾倒，或反复摆动，直至完全倒下）。那篇文章在经过线性化之后，给出了再典型车体几何-质量分布参数下，可以自动稳定的速度范围。然后再说说有人骑行的情况。这问题属于一类‘人在回路’问题。无论骑自行车，滑滑板，冲浪，走钢丝等等原理接近。都是人在不断训练之后形成了一种不易察觉的条件反射般操作习惯（想左倒，向左转）。举个例子，随便找个棒球棒、黄瓜或灯管之类，立于掌心，也是它向左倾你向左推这样的。而现代自行车的这种设计本身就有自动转动的趋势，所以人操作起来就更方便省力。不同人的骑行技术不同，主要取决于不同的回路延迟和回路控制增益，包括视觉、前庭平衡觉和肌肉-骨骼系统。可能有人又要问，那撒把骑车有是怎么回事？原理还是一样的，目的是要前轮向有利平衡的方向转动。比如，整个人车向左倒时，人上半身主动向右斜，加剧车想左倾，由于上述性质，车把自然左转。有的车易于撒手骑行，有的不易，区别在于这种几何-质量分布的不同，车把转动轴是否过紧和不同车胎地面摩擦的影响。 引申一步，人在骑行时要像左转应该如何操作呢？你可能会发现，你会首先向右转车把一个十分微小的角度，先让车体有向左倒得趋势，然后顺势向左转车把，进入弯道稳定转弯。这就是这类欠驱动非最小相位系统（underactuated and non-minimum phase）的一个特点了。类似的，可以掌心立个黄瓜，再走个复杂轨迹体会一下。这是一类在保持平衡的前提下，进行位置变化的问题：欠驱动系统的跟踪问题。有摩托车驾驶经验的或看公路摩托比赛的就会注意到骑手会比较剧烈的调整上半身来适应和影响车身的倾斜。扩展一步，在零速度条件下，为什么还有人能平衡呢？这个主要靠改变身体姿势实现和附加车把转动来实现。前文提到，车体倾斜会使车把转动。同时，在车把转动后，就算静止也会对重心的位置有个小小的调整。但主要还是靠人身体的运动。其实这是个二级倒立摆或体操机器人的问题。类似于女子体操的平衡木。很多人过分强调了人在这个系统中的作用，认为人脑在潜意识里做出一些微小的平衡操作来帮助自行车平衡，其实没有人，只给自行车一个初始速度，只要大到一定的阀值，它总能平稳的行驶一段时间，后来因为摩擦力降低了速度，它才会倒。大的圆形钢圈，厚度很细，你把它立在原地立刻就倒，而你给他一个初速度，他就能向前平稳地滚动很远，这种系统中根本没有人工的参与，只有参照物，物体和相对速度。到现在这个系统的原理都是未解之谜，我说的是真的，没人能用现有的物理学知识简单的解释这个现象。wz98am.cn 曾经看到有一位自以为很厉害的家长吐槽孩子学校的一个教授讲解这个问题，他认为这个教授讲的是一派胡言，我却认为这个教授可能讲出了最接近的真理，这个教授是这么说的：对于空气的相对速度，使空气对扁平状物体（这里是自行车）产生了风压，而速度一旦达到一个阀值，两边的气压能足够大到将物体夹在中间，就像飞机一样，机翼 的一个微笑的弧度，让机身下方的风压大于了机身上方的风压，所以飞机能够起飞，从这点来看，自行车的运动系统和飞机的运动系统是如此的相似，你要是在自行车左边或者右边按个带有弧度的片状物体，风压不平衡，也会让自行车倒下。
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