自転車はなぜ倒れないか

Ｑ:自転車はなぜ倒れないか？
Ａ:
主に偶力の作用によるものです。人が乗っていなくとも自転車は走っているときは倒れません。
回転する物体に働く見かけ上の力、偶力というのがあります。
例えば、回転しているコマに横向きに軽く力をかけると、横方向ではなく前後方向に動きます。
偶力と呼びます。ジャイロ効果とも呼ばれます。

自転車で車輪が進行方向に回転している場合に右に倒れかかると、偶力によって、倒れないように左への力がかかり同時にハンドルを右に切る方向に力がかかります。
自転車練習台(ローラー)の上で車輪を回した時も偶力が発生しますので倒れることはありません。(一部に誤解があるのですが"遠心力があり倒れない"というのは誤りです。自転車練習台上で練習中も倒れないことの説明ができません。)
手放運転ができることでわかるように、正の安定となっています。意識的に左右にハンドルを切る必要はなく、前輪が自動的に左右に動くのです。

この偶力(ジャイロ効果)は工学的には自由度２のものでないと見られません。
・コマ
・自転車およびバイクの前輪
・ブーメラン
・ボーリングのボールのカーブ
などにみることができます。

なお、自転車の場合は、前輪にキャスター角(寝かせる角度)をつけることで、直進性が良くなっています。なお、キャスター角が0度の自転車を作成して手放しで走らせた時でも、走行している間は倒れません。つまり、キャスター角に関係なく主に偶力によって倒れないということです。

また自転車を後ろ向きに走らせた場合も、偶力は同様に働きます。しかし逆回転のため右に傾けると左にハンドルを切るように働きます。
一度倒れそうになると、より倒れる方向にハンドルが切られてしまうため、手放しでは走行できません。よほどバランス感覚の良い人がハンドルを操作しないといけません。
Gyrobikeのページは面白いと思います。

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今回の回答は文字制限がきつかった。
安定の話をすべきところだったのだが書ききれなかった。

日本語で安定・不安定という言葉があるが、工学分野では安定を数字で表すことができる。
ある状態にある物を、少し変化させた時に元に戻る方向への力の量を、安定の数字とできる。

例えば台所で使う「ボール」の内側に卵を置いてみよう。
卵はボールの中央で止まっているとして、これを「正の安定」という。
中央よりも少し異なる位置に動いた場合は、中央に戻るプラスの力が働くからだ。

ボールをひっくり返そう。
卵をボールの中央にそーっと置くとして、これを「負の安定」という。
中央よりも少し異なる位置に動いた場合は、中央から離れる力が働くからだ。

まな板の上に卵を置こう。
位置を少し変えたとしても、元の位置に戻る力も離れる力も働かない。
これを「ゼロの安定」という。

このように安定は数値化できる。
自転車が倒れないのは「正の安定」の仕組みがあるからだ。
それは偶力によるものだ。