自行车不倒的原理是什么？

自行车在现代社会已经成为了人们重要的代步工具，但是鲜有人知道，到底是谁发明了自行车。德国一个叫德莱斯的看林人，由于每天都需要走很长一段的路去看护森林，于是便想要发明一种交通工具。他看到马车的轮子之后，想：如果人可以坐在轮子上的话，那不是可以使速度大大加快吗？就这样，德莱斯开始正式设计与制造自行车。他先是用两个木轮、一个鞍座和一个安在前轮上可以起到控制作用的车把，制作成了一个最简单的轮车。人只需要坐在车上，用双腿不停地蹬动着，便可以驱动木轮运动。就这样，世界上第一辆自行车正式问世了。

1817年，德莱斯第一次骑着自己亲自制作出来的轮车出行，却在一路上受尽了人们的嘲笑。但是德莱斯却信心百倍，他认为自己所创造的这种交通工具总有一天会让他们刮目相看的。后来的一次比赛中，德莱斯骑车4个小时通过的距离，马拉车却用了15个小时。

在1839年，苏格兰人麦克米伦发明了脚蹬，并将其装在了自行车的前轮上，从而使车的性能大大地提高了。几十年后，自行车的外观与性能都得到了极大的改进与发展。

2011年，《科学》杂志刊登了一篇名为《一辆自行车可以不借助陀螺或脚轮效应而保持平衡》的论文，文中荷兰达尔福特大学的研究者们否定了维持自行车稳定的陀螺效应和脚轮效应，是完全正确的。（所有维持稳定的措施，在适当的条件下都符合打破稳定的措施）。
近200年间，物理学家和数学家发表了几百篇相关的文献资料，物理学家和数学家在研究自行车为什么不到时，在两个特别重要的影响因素被忽略没有被讨论，那就是摩擦力的实际作用和动量守恒。真正让轿车和自行车（人力独轮车）加速前进的外力是与地面接触产生的摩擦力，不是发动机的输出力和脚踏力。
在完全无摩擦力得表面，在自行车从开始倾斜到倒地过程是不会产生圆周运动的，因为在完全无摩擦力得表面，自行车倾倒时是没有水平外力作用的，自行车水平方向的动量是守恒的，由于有重力和地面支持力作用的存在自行车垂直方向的动量是可以变化的。在忽略自行车前后轮陀螺效应情况下（自行车前后轮占骑行者和自行车总质量的比例很小，速度低，陀螺效应实际是有的的影响很小，如果是高速旋转的陀螺就不一样了，），自行车速度无论是多大，在完全无摩擦力得表面，自行车从开始倾斜到倒地过程需要的时间和速度为零从开始倾斜到倒地过程需要的时间是相同的。
行人或者自行车或者人力独轮车在完全无摩擦的表面无论有无初速度的，仅依靠自身的任何动作都无法改变整体的水平动量值，表现为即使是倒地过程（因为有重力和地面支持力的作用垂直动量值可以改变）也无法改变重心在水平面垂点位置，即静止的时候仅依靠自身的任何动作都无法改变重心在水平面垂点位置（在重力和地面支持力的共同作用下是可以倾斜和可以倒地的,却不会改变重心在水平面垂点位置）。
在摩擦系数很大的表面，在脚轮效应控制下自行车倾斜做圆周运动的时候，离心力分力产生的旋转力矩小于重力分力产生的相反旋转力矩时，自行车继续倾斜，离心力分力产生的旋转力矩会延长倾斜时间，部分抵消重力分力产生的相反旋转力矩。如果离心力分力产生的旋转力矩（直行时没有离心力分力产生旋转力矩）大于重力分力产生的相反旋转力矩，自行车就被扶正。自行车被离心力分力产生旋转力矩扶正的状态下就无法继续向倾斜方向做转向运动，这时根据骑行目标如果要求继续向倾斜方向做转向运动, （在实际骑摩托车时，时速8千米及以上速度时转弯是常见动作）骑行者就必须主观主动控制外力（实际是摩擦力大小）才可以实现继续转向运动（只有水平外力不为零才能改变水平动量大小）（这时自我平衡是有利于保持平衡，却是不利于骑行目标的实现，为了实现骑行目标就必须打破自我平衡），如果自行车速度很大直接转动车把手做转向运动时（在学会骑自行车之前会做这样动作），离心力同样很大，骑行者有可能会被离心力甩出去，这样的现象在机动车高速转弯时是可以见到。通过观察和力学分析实际骑行时在自行车速度很大做转向运动时，离心力同样很大，骑行者是利用速度不能跃变通过提前向转弯方向倾斜身体加大重力的分力产生更大的旋转力矩抵消随后转弯时（减小圆周半径）离心力分力产生的相反旋转力矩，过程中骑行者主观能动性起到关键作用（心理过程是内隐的，是心理学研究的重点内容）。如果抵消失败骑行者就有可能跌到或者被离心力甩出去。
人力独轮车或自行车自我平衡功能（比如陀螺效应）虽然有时是有利于平衡的保持，骑行者骑人力独轮车或自行车是为了实现主观的骑行目标，人力独轮车或自行车自我平衡的保持结果和骑行者主观骑行目标相同的很少，在平衡的保持结果和骑行者主观骑行目标冲突时就需要打破人力独轮车或自行车自我平衡功能，这时就必须依靠骑行者（或者AI智能系统）的主动控制作用，所以在人力独轮车或自行车骑行中骑行者（或者AI智能系统）的主动控制作用很重要。
了解一下物体运动状态的改变必须遵守的基本物理学规律：
1、外力是改变物体运动状态的根本原因。
2、物体状态的改变(产生加速度)一定是受到一个或者几个合力不为零的外力的作用。
3、物体在不受外力或者受所有外力合力为零时，保持静止状态或者匀速直线运动。
为了研究自行车骑行时为什么不会倒先把骑自行车过程分为以下多个状态：
状态1、骑行者和自行车正立以时速10公里匀速直线运动。
状态2、骑行者和自行车正立以时速20公里匀速直线运动。
状态3、骑行者和自行车倾斜做半径为R1时速为10公里匀速圆周运动（平衡时倾斜角度是不可以指定，三个量只可以指定两个，指定前两个量后平衡时第三个量就是确定的唯一的，如果第三个量无法确定或者确定的起始时间或者大小确定失败、骑自行车的骑行控制必定失败（基于课本的基础知识推导出来的无需证明，反证法如果第三个量无法确定或者起始时间或者大小确定失败、骑自行车的骑行控制成功，会得到物理学和控制论知识是错误的结果）。在骑行者自动根据感知骑行者和自行车状态结果并结合自身知识判断生成正确的倾斜角度大小是骑行中控制不倾倒的必要条件，在自动驾驶系统中由传感器采集信息、控制电脑准确的计算得到倾斜角度并执行，骑行者控制行为过程中的心理活动是内隐的可证实可重复验证，严格遵守物理学定律成功概率为百分之百）。
状态4、骑行者和自行车倾斜做半径为R1时速为20公里匀速圆周运动。
状态5、骑行者和自行车倾斜做半径为R2时速为10公里匀速圆周运动(R2＞R1)。
状态6、骑行者在自行车后座右侧绑带50公斤的货物时速为10公里做直线匀速运动。
参考一下卫星发射及变轨过程，运送卫星的火箭在地面点火加速上升（加速度为a1），加速到预定速度V1并运行一段时间上升到达预定高度时卫星和火箭分离，卫星进入在半径为r1的轨道（状态a），再通过变轨控制变为半径为r2的轨道，变轨过程要控制姿态保持太阳能电池正面向着太阳。卫星在变轨之前要进行精确计算，变轨开始要点火施加一个外力F（大小方向是持续受控的），先打破状态a的平衡，卫星继续在外力（大小和方向要受控）作用下产生加速度向状态b变化，在到达状态b时要撤去外力或者保持外力合力为零，保持状态b运行。打破状态a的平衡是向状态b变轨的前提条件。
在骑自行车时先用力踩脚踏板借助产生的摩擦力加速向前，在达到预定速度V1继续保持骑行一段距离（中途28大架自行车后座上坐的人下车）再围绕一个中心点w做状态3的运动，再由状态3变为状态5，在骑行过程中骑行者和自行车不能倾倒。整个控制过程和控制条件是和卫星发射及变轨相同的（地面对自行车的支持力和自行车对地面的压力大小相等方向相反合力为零不产生加速度和力矩，忽略不计）计算公式及数据也是通用的。不同之处是骑自行车做圆周运动的向心加速度是通过倾斜骑行者身体和自行车与地平面形成夹角后由重力的一个分力产生的，最终是受骑行者主观控制（可推理可观察可重复验证），骑行者身体和自行车与地平面的角度随半径及速度变化的变化过程符合控制论要求（不符合就要摔倒，或者称变轨失败）。参考卫星发射技术结合基础科学深入研究骑自行车过程中人的行为和心理活动规律完全是正确。
对骑自行车行为可定义为骑行者通过主观意识控制肢体动作，再通过肢体动作间接控制摩擦力对自行车速度、平衡、方向以达到自行车在骑行时保持不倾倒以一定的速度把骑行者带到目的地的控制行为过程。
高中物理题，公交车以9.8米/秒^2向前加速行驶的时候，用50厘米长绳子把小铁球挂在公交车顶上（可以看成是一个简易加速度计，平衡时绳子向后和车顶每个夹角都对应一个确定大小的加速度，且绳子永远不可能达到绝对水平，加速度增大到一定大时绳子会断，这些都是由物理学基础知识决定的可以参考物理学课本），在绳子向后和车顶保持多少度夹角的时候小铁球可以保持稳定？答案是45度夹角，小铁球是稳定平衡系统，在受到外力干扰时能自动恢复平衡状态，同时站在车厢里的乘客手不扶扶手,身体不依靠任何支撑也是需要身体向前倾斜45度夹角才可以保持稳，是不稳定平衡，在偏离平衡时是不能自动恢复平衡状态必须借助外力才可以恢复平衡状态,在生活中骑人力骑独轮车时以9.8米/秒^2向前加速行驶的时候，骑行者和人力独轮车要向前和地面保持多少度夹角骑行者和人力独轮车才可以保持稳定？答案也是45度角（和电动独轮车的操作说明及实际操作是相对应的，答案是由物理学课本基础知识推导出来的，如果用试验验证是百分之百符合）。同样问题，在骑自行车以9.8米/秒^2向心加速度做圆周行驶的时候，骑行者和自行车要向圆心方向和地面保持多少度夹角的时候骑行者和自行车才可以保持左右稳定不倾倒，答案也是45度角，在骑行中向心加速度变大时骑行者和自行车与圆心方向地面夹角就必须同时变小(如摩托车高速转弯时马奎斯的极限压弯)，在骑行中向心加速度变小时（即半径变大或者速度变小）骑行者和自行车与圆心方向地面夹角就必须同时变大（是动态值），在平衡时即加速运动产生的引力等效力和重力合力方向通过自行车两轮支点连线（人力独轮车在平衡时即加速运动产生的引力等效力和重力合力方向通过人力独轮车车轮在地面的支点，人力三轮车在加速运动产生的引力等效力和重力合力方向通过人力三轮车3个车轮在地面的支点联成的面时都是平衡，人力三轮车在加速运动产生的引力等效力和重力合力方向通过人力三轮车后左或者后右轮子与前轮子的连线时三轮车就变成两轮自行车（部队偏三轮训练时时常发生），人力三轮车在加速运动产生的引力等效力和重力合力方向通过人力三轮车后面两个轮子的连线时变成平衡车，人力三轮车在加速运动产生的引力等效力和重力合力方向通过人力三轮车后左或者后右轮子（轮子要具有制动和驱动功能）支点时变成独轮车），平衡时向心加速度大小与骑行者和自行车与圆心方向地面夹角大小是唯一对应关系。骑行者和自行车系统是不稳定平衡系统如果受到外力干扰后是不能自动恢复平衡状态的，失去平衡状态如果要恢复平衡就必须得有力的作用（力是改变物体状态的唯一因素）（本文讨论的是在标准的柏油路面上的情况，在完全无摩擦力的地面是无法完成转弯、加速、减速过程的），如果角度保持不正确就会有力矩产生发生倾斜，在没有得到及时纠正是不能恢复平衡状态。在实际骑自行车转弯的时候半径和向心加速度是在一定范围内变化的，骑行者如果角度大小或者角度倾斜开始及结束的时间保持不正确就会有力矩产生发生倾斜（可以重复验证）。在骑自行车的时候向心加速度是在一定范围内动态变化的，根据物理学原理和控制论原理整个成功的骑行过程中，骑行者必须正确感知，正确判断，正确完成操控行为（在初学习骑自行车的时候会时常发生操控行为失败，只是后果不严重没得到人的重视）。