Question

自行车行驶时为什么不倒，停下时倒？

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Answer 1

我们中国是一个自行车王国，自行车在我们的日常生活中充当着重要的角色。可是你是否知道，在我们经常见到的自行车运动过程当中，有很多值得我们留心的力学现象。

　　我们大家知道，自行车停下来的时候，如果我们松开双手，那么自行车就会倒下，可是自行车为什么停下就会倒下，三轮车却不会呢?究其原因在于，自行车和地面仅有两个接触点，两个点只可以决定一条直线，却不可以组成一个平面，这样，仅靠两个车轮没有办法使自行车停在地面上。三轮车和地面却有三个接触点，三个点决定一个平面，所以三轮车可以停在地面上却不会翻倒。一样的道理。在自行车的中后部装上撑架，这样可以给自行车增加三个接触点或者四个接触点，这样，自行车就会保持自身平衡了。

　　可是当自行车轮转动时，情况就完全不一样了。由于旋转的物体有使转轴的方向保持不变的特性，转动得越快，越不容易改变轴的方向，就像陀螺旋转一样。假如陀螺不转，就会倾倒，因为静止不动陀螺的尖下面只有一个支点，因为重力对这一个支点有力矩，陀螺会围绕这个支点向下倾倒。假如给陀螺施加一个外力，使陀螺快速旋转，陀螺就不会倒下了，高速旋转的陀螺可以保持转轴的方向不变，这就是陀螺的稳定性。人骑自行车是同样的道理，转动的车轮有和陀螺相似的稳定性，人在车上蹬车，致使车轮飞快的旋转，同样也可以保持旋转的轴线方向不变，这样，车子就可以保持平衡却不会摔倒，可以很稳当地向前行驶

Answer 2

自行车为什么不倒”问题困扰了科学家两百年：为什么自行车骑行不会倒一直没搞明白。在研究电动独轮车AI算法的时候发现电动独轮车和人力独轮车在加速、减速、失衡纠正、转向时遵循的物理学理论都是相同的，实际控制过程逻辑也是相同的，仅仅是控制主体不同电动独轮车的控制主体是传感器和微电脑而人力独轮的控制主体是骑行者。以日常生活行为中物理学基本规律是必须遵守的客观规律为前提原则，用物理学力学和控制论基础知识深入分析证实自行车（人力独轮车）玩家学习过程中心理与行为动作过程。
在研究自行车骑行过程中骑行者的行为控制过程，用成熟的物理学矢量法则、控制论、系统科学、计算机科学求证在骑自行车活动中骑行者的行为控制过程及相关的心理活动内容。用物理学基础知识，证实骑自行车过程和发射卫星过程物理学抽象的运动控制本质是相同的都是物体运动和姿态控制过程。客观上物体运动时由前一种运动状态向后一种运动状态变换必须先打破前一种运动状态的平衡，提出了骑行者学会了骑自行车的结果不仅仅学会了如何控制自行车骑行时的平衡，一定还学会了如何打破自行车骑行时的平衡。
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。
骑自行车过程中所有运动状态变化过程都和卫星发射过程是一样的从打破前一个状态的平衡开始，比如骑自行车向右转弯的时候的先向右倾斜身体或者转动车把手打破平衡，这时地面会产生向右的水平摩擦力，骑行者和自行车水平总的动量发生变化，骑行者和自行车和地球总的动量是没变的，（摩擦力和卫星变轨时变轨火箭点火产生的推力作用相似），骑人力独轮车向前加速的时候先向前倾斜身体，如果不先打破平衡就会出现像站在公交车上公交车突然加速身体会不由自主地向后跌倒相同的不受控制的非预期得结果。骑人力独轮车是先向前倾斜身体再加速（符合独轮车使用说明和实际操作 ，可以参考网上电动平衡车在遥控起步加速时的视频，是可证明可观察可重复验证），骑行者加油门，加电门，用力踩脚踏板都是骑行过程中通过肢体动作操控自行车利用地面摩擦力打破平衡状态，形式不同但最终都是通过利用地面摩擦力产生加速度改变骑行者自行车运动状态（水平动量）。
骑人力独轮车向前加速之前先向前倾斜身体都是必要的、基本的、一直被执行的却没有被充分认识的基本动作。（打破平衡状态行为动作完成过程在所有骑自行车行为中一直存在并被遵守和执行却没有得到认识到这些理论在骑自行车过程中发挥应用，但实际生活中写电动平衡车和电动独轮车算法人员是一定意识了并且研究的很成熟，也得到实践验证是正确的，对证实和研究的内隐控制过程中心理和行为过程有重要意义），是可以重复观察，可以重复进行实践验证。
骑自行车在转弯时由于离心力会产生一个导致人和自行车倾倒的力矩，骑自行车在转弯时向转弯的方向侧倾着身子是保持平衡不倾倒的必要动作，用物理学和控制论知识分析可以得到向预计转弯方向提前倾斜身子不仅仅是一个简单的动作，而是一个系统过程，根据骑行目标为得到保持骑自行车的人和车子不倾倒需所的骑行者身体和自行车与地平面的角度角度大小，需要先时时通过感知采集自行车速度，人和车子的总重量（自行车后座上放置重物重量不同，操控感受是不一样的），还有预计转弯半径的大小再经过加工运算才可以得到身体倾斜角度的大小，其中任意一个量发生变化（实际骑行时速度和半径是经常变化的，有时候重量也是可以改变的）倾斜身子的角度都要变化（体育频道自行车比赛和摩托车比赛速度很快，在转弯时身体和车的提前倾斜角度就大）。如不及时向预计转弯的方向侧倾着身子或者倾斜角度大小不正确，人车系统将倾倒，现实中这类现象在开始学习骑自行车时经常发生但没有被重视。这个动作过程和逻辑关系可以随时重复验证概率百分之百正确（因为在生活中物理学规矩是违背不了的）。