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在過去的200年裡，自行車已經有過無數種設計，沒有人真正總結過究竟有過多少種不同設計。這些自行車都有著時代的烙印和功能性的傾向。今天，市場上依然有各種不同類型的專用自行車，每一家品牌都有自己的一套對車架幾何設計的認識。在設計上都會根據不同類型，不同各品牌不同用途而對車架進行有針對性的設計。而這一切，最終都會因為車架的幾何角度而有所差別。這也是自行車設計的魅力所在。
你可以在兩個不同類型，不同大小的車上覆製出來相同的踩踏位置和車把位置以及前申量，但是你卻很難複製出來同樣的騎行感受。頭管角度，前叉偏移量，Trail（軌跡量）和車輪翻轉觸發量：這些都只是影響自行車轉向和操縱的一些參數，當這些數字出現在我們常見的自行車幾何表，或者幾何圖上時，這些數字看起來好像毫無意義，不僅不直觀，也不知道他們究竟帶來了什麼改變。
- 不同類型角度的車架，只要在合理範圍內，都可以通過把立、坐管、車把調整到和你以前的老車一樣的位置，但是事實上，即使這些位置沒有變，你的車還是會有一些不同騎行感受。為什麼？
對於大多數的車手來說，他們非常清楚一個合適的車架的重要性，我們在以前的文章中，也有寫過關於車架尺寸的文章，感興趣可以去翻閱一下。在這些文章中，我們描述了不同類型的車架通過看哪些數值，可以讓你獲得一個合適大小的車架。
當然，合適只是對於你來說大小合適，因為在一輛車上還有很多其他方面的數據，例如頭管角度，軌跡量（Trail），一旦你獲得了合適的大小，這些數字就和大小無關了，但是這些數據卻會對車手的操控感受帶來影響（更靈活，更敏捷，轉彎半徑更大更小等）。因為這些數據會對自行車的操控帶來影響，無論是在平路，上坡，轉向，越過障礙物甚至在飛躍中。這對增加車手的安全性和提高他們的信心非常重要，在某些情況下，它可以幫助車手有更好的表現。即使你只是隨便騎騎，一輛易於操控的車，也會提升你對騎行運動的感受。
- 上圖顯示了一個電腦模擬的自行車傾斜轉向動圖，可以看到，除了轉動車把，通過傾斜，車把也會自己轉動，並且這可以在車架設計中得到控制，具體怎麼操作，請繼續閱讀。
在過去兩個世紀的大量實踐經驗中，我們已經已經獲得很多關於如何提高操控性的數據。學術界已經剖析了運動的動態，並確定了自穩定的最低要求（詳細內容可以查閱維基百科：Bicycle and motorcycle dynamics）。而在自行車行業，則已經嘗試了各種設計，以確定這些設計中哪些有效，哪些無效。
- 所有自行車的幾何圖上都會標註有各種尺寸和角度，但是那些對轉向很重要的數據，才是真正影響自行車操控方式的參數。
雖然關於自行車操控性的探索還在繼續，但是目前的工作已經為自行車確定了一套核心的參數。並且在這些參數中會存在各種類型和輕重，有些參數影響更大，而有些參數會影響到其他參數。但是這些參數都有一個共同的功能，就是參與自行車轉向。
轉向保持平衡
首先，你可以先回想一下學習騎自行車是一種什麼感覺：你的車把總是會有一種讓你恐懼的轉彎傾向，似乎抑制這種車把的轉彎才是保持自行車直立不倒的關鍵所在。但事實是，當你每次做出努力阻止車把轉動時，實際上你的自行車都翻了。訣竅在於轉向的時機和轉向的方向，而這就是保持自行車直立不倒的訣竅所在。
- 如上圖，雖然有些違反直覺，但是事實就是你需要向傾斜的方向轉動車把，以把下落的中心重新捕捉回來。只要你足夠快，就總可以在失去控制前讓自行車直立。
下邊的描述，似乎是一個很反直覺的概念，但是確是非常有效的方法，因為當你把車輪轉向你要傾倒的方向時，只要移動速度足夠快，你就可以“捕捉”到下落的重心（質量），自行車就可以每次都保持不倒。
- 上邊的動圖是一個模擬“捕捉質心”的試驗，小棍可以左右運動，但不能前後運動，下邊的小車用來保持小棍的平衡。當小棍向一側倒時，必須用下邊的小車以更快的速度移動向小棍倒的方向，只要小棍的重心沒有超過可控範圍，就可以在小棍傾倒之前把重心捕捉回來。但是在自行車上，這會更加的複雜，請繼續閱讀……
舉個例子，這就像你用手頂住掃把的一端讓掃把立起來並保持掃把不倒（你們可以跟著嘗試一下），當掃把倒向一方時，重心開始下降，此時你的手要移動向重心下降的方向，而不是反方向，如過你這樣做，掃把會倒的更快。
當你平穩騎行時，就是你不斷把重心捕捉回來的過程，這個過程是反向的，向那邊倒，就向哪邊轉。
但是有時候，我們需要自行車倒向一邊。雖然這聽起來很可怕，但是如果沒有它就沒有辦法轉彎。這就是為什麼自行車、車手在過彎時要保持一定的傾斜角度，這就是上一段反直覺的分析的結果：如果你向哪裡傾倒，你就要向哪裡轉向，這才能保持自行車不進一步傾倒。在這裡需要需要強調一下，當自行車離開彎道時，車手需要利用車把轉向讓自行車回到正確姿態的能力會變得至關重要。
- 上圖展示了車手在過彎時的姿態，這個過程並不需要你刻意的去轉動車把，用身體轉向才是車把轉向的關鍵所在，瞭解更多請繼續閱讀……
雖然，轉向對於控制自行車的方向很重要，但是在車手可以控制它之前，這主要還是一個輔助作用。
- 上圖：相信很多人都參加過慢騎自行車的比賽，雖然這種低速狀態很好的展示了保持平衡需要用車把轉向來維持，但是這並不是唯一保持自行車平衡的方法，你還可以通過身體傾斜轉向，而且使用的更多，瞭解更多繼續閱讀……
這就像在低速騎行時，自行車會發生不規則的轉彎，因為騎車的人正在努力保持自行車直立並控制自行車的方向。事實上，不僅在低速，在任何狀態下，車手實際上都在通過控制自行車的方向來阻止自行車傾倒。
用手和身體完成轉向
從大的層面上來看，騎自行車控制方向一共有兩種方法：
第一個，通過車把。這個很好理解也很直觀，並且通過長期的練習，通過車把轉向會成為你一種幫助自行車轉向的潛移默化的行為。
- 如上圖：如果必須要通過雙手轉動車把來轉向，那麼這種情況就不會發生：當沒有人騎行，但是自行車具有一定速度是，它會處於一種自穩定狀態，並且傾斜車身會帶來車把轉向。
第二種就是用身體轉向。如果你玩過大撒把，你就會明白這是一種什麼感覺：當你坐在車座上並輕微傾斜身體時，車把就會向著傾斜的方向轉動。（這些移動量也是可以通過改變車架幾何角度來實現的，這也是為什麼有些車在撒把時更穩定，有些則很靈活的原因。）
- 如果對自行車的控制完全只能依賴用手轉動車把，那麼這種狀態就是不可能完成的。
影響轉向響應的幾何角度
介於轉向的重要性，所以車架前部的幾何角度對操控性的影響是最大的。而這些設置中，頭管必然是第一個，但是就像下邊我們還要陸續提到的其他數據：前叉偏移量（在頭管角度一定時），通過改變前叉偏移量會進一步的影響trail值（軌跡值）和車輪翻轉值（反映了前輪轉向時軸心的下降高度）。另外，當以上這些確定下來以後，車輪的大小，把立的長度，車把的寬度，以及輪胎的高度也會對轉向起作用，當車輪旋轉時，本身的陀螺效應也是如此。
除了車輛前部的這些數據外，自行車上的其他參數也會影響轉向的處理方式。其中包括五通的高度，前後輪的軸距以及騎行者在自行車上的重量分佈等等。而所有這些，都將會在接下來的章節中進行討論，不過需要說明的是，為了方便剖析，雖然每個參數的實際影響會獨立討論，但是它們並不是不相關的，而是互相影響的。
1. 頭管角度
在所有影響自行車操控的因素中，頭管角度可能是最容易理解的。簡單來說，頭管角度決定了轉動前輪需要用多大的力。隨著頭管角度的增加（頭管更加直立），前輪轉向也會變的更容易。更大的頭管角度也可以完成一些更急的轉彎，因此，自行車的靈活性（可操控性）會隨著頭管角度的增加而增加。
在低速狀態下，更大的頭管角度（想象一下接近90度的直立頭管）可以幫助車手保持平衡。使用車把轉向會更加的容易。但是，也會由於過於容易而出現轉向過度的情況。而在高速狀態下，快速而靈敏的轉向會成為一種負擔，因為自行車會更容易的超過可控範圍，很有可能會帶來無法預測的失控。
- 如上圖的BMX小輪車，單獨分析頭管部分，比大部分的公路車頭管角度都要陡峭，配合同樣比較大的前叉偏移量，最終獲得了一個更加小的軌跡量（trail）。頭管角度和前叉偏移量的關係:其中一方固定下來以後，另一方增加“數值”，trail就會減少。反過來減小“數值”，trail就會增加。
反過來，更加小的頭管角度（想象一下45度甚至更平的頭管角度），雖然在低速狀態下轉向可能會有些沉重，但是這種不那麼快速和靈敏的狀態會提高高速下的穩定性。
- 如上圖：對於偏下坡的車型來說，他們都會有一個比較小的頭管角度，配合不同的偏移量的前叉會得到不同的trail值（不過，在兩輛trail一樣的車上，也會有不同的騎行感受這個在後邊的車輪翻轉值裡會提到），當下坡時，頭管角度增大，前叉偏移量相較於頭管位置沒有發生變化，所以在下坡中trail會減小，這會更靈活。反過來在大角度的車上，有些情況下trail還會是負數，這會及其不穩定，瞭解更多請繼續閱讀……
例如，在一些用於穿梭在城市中的，需要切割急彎躲避障礙的死飛車架上，頭管角度會在74度甚至更大（比如公路車一般在73度上下）。而在需要應付棘手的地形和高速下坡的山地車上，則可能會有64度的頭管角度（具體更具用途會有不同的設計，比如XC的會更大一些：71度左右）。
雖然自行車的轉向不僅僅是依賴於頭管角度，但是總的來說，頭管角度給自行車的操控設定了一個基調。下邊我們要討論的就是前叉偏移量（Fork Rake），更具體的說，是它和頭管角度一起“組成”了軌跡量（Trail）。
軌跡量（Trail）
概念：當車輪和地面的接觸點處於轉向軸的後方時，車輪將傾向於和自行車前進的方向對齊。比如我們常見到的購物車上的輪子，或者電腦椅上的輪子，在實際生活中，這方面的運用非常多。也被稱為“腳輪效應”
- 紫線相當於自行車的頭管角度，此時如果向左拽動電腦椅，由於輪子的接觸面處於轉向軸前方，這是一種不穩定狀態，所以轉向輪自動就會轉到紫色轉向軸的後方。當處於圖上這種情況進行向右側運動時，車輪的滾動軌跡會非常的穩定，自動處於轉向軸中心滾動。可以簡單這麼理解，當接觸面在轉向軸前方時就會不穩定，當處在轉向軸後方時就會穩定下來。
（在2011年已經有試驗團隊通過試驗驗證了無需通過軌跡量-trail，就可以實現自行車自穩定，這實際上也在告訴我們，在實踐探索的部分中，車架的幾何角度還有非常大的挖掘空間，以前的經驗論只是告訴我們哪些有效，哪些無效，但是並沒有說明其中的原因，感興趣可以搜索文章：a bicycle can be self-stable without gyroscopic or caster effects。）
一定的軌跡量（Trail）可以保持前輪居中的同時無需車手進行任何操作，這讓軌跡量在自行車高速狀態下變得越來越重要。不過，如果軌跡量過大，那麼自行車將會很難操控。
自行車的軌跡量主要取決於以下三個要素：頭管角度，前叉偏移量和車輪尺寸（相同尺寸不同胎寬也會影響車輪尺寸）。當車輪的尺寸和前叉偏移量保持不變時，隨著頭管角度的減小（更加鬆弛先後傾斜），那麼軌跡量Trail就會隨之增加（圖1）。這可以保持前輪更傾向於回到中心位置，也是更小的頭管角度會帶來的更穩定效應的主要原因。
而當頭管角度和輪徑不變時，減少前叉的偏移量則會增加軌跡量（Trail），這在圖上來看是一種比較反直覺的情況，因為減少前叉偏移量實際會讓車輪更加的靠近自行車。然而，在這裡前輪相對於自行車其餘部分的位置對於這種效果並不重要；重要的是它相對於頭管的轉向軸的的位置。
- 如圖：這種自行車上八九十年代的場地車上非常流行，反向頭管既縮短了軸距增加靈活性，減小了前輪的尺寸減小了跟車距離，又增加了軌跡值提高了穩定性。所以當你覺得反直覺時，其實畫出來就能看明白。
因此，在一個已經給定頭管角度的車架上，可以通過減少前叉的偏移量，使輪胎的接地位置更加相對於轉向軸靠後。
- 比如這張gif圖中的自行車，就是通過在一輛常規自行車上把前叉向後敲彎了一些，用縮小前叉偏移量的方法增加了該車的軌跡量（Trail）。
由於本節開頭提到的“腳輪效應”，這會讓車輪自動居中。這就是為什麼在場地車上還出現過一段把前叉顛倒過來的設計，因為負的前叉偏移量會大大的增加軌跡量（Trail），從而進一步增加自行車在高速下的穩定性。
- 所有自行車的軌跡量（Trail）都取決於頭管角度和前叉偏移量。上圖顯示的為安裝了25mm輪胎的700C公路車的軌跡數值變化圖（橫座標為前叉偏移量Fork Rake，縱座標為軌跡量Trail，單位為mm）。
增加前叉的偏移量會產生相反的效果：隨著軌跡量（Trail）數值變小，前輪自動居中的能力會減弱直到消失。通過增加大量的前叉偏移量，你甚至可以完全消除軌跡量（甚至創建負軌跡量，此時輪胎接地面位於轉向軸前方），這會讓轉向非常靈敏，即使在低速狀態下也會難以操控。
- 如上圖，在探索自行車結合角度的過程中曾經就出現過0軌跡量的自行車，但是隨著實踐的深入探索，軌跡量和偏移量與頭管角度的關係，也漸漸地被人所熟知，哪些設置有效，哪些設置不好，也就成了之後設計車架的指導。
對於公路車而言，人們普遍認為55-60mm的軌跡量（Trail）是理想範圍，提供了可操控性（靈活性）和穩定性之間的平衡。更大一些的軌跡量通常適用於gravel公路車和山地車，而更少的軌跡量通常適用於載貨自行車或者旅行車（前叉上的載重會讓車輪難以轉彎，因此需要更快的轉向相應）。
※ 機械軌跡量：通過輪胎接觸面和轉向軸垂直的距離。機械軌跡量也被稱為真實軌跡量，它和地面上的軌跡量密切相關，因為增加其中一個就會導致另一個增加。地面上的軌跡量是對機械軌跡量良好模擬，但是機械軌跡量是更加真實的測量，因為它的大小直接與車輪自動居中的“腳輪效應”相關。
感謝您能看到這裡，如果您對自行車幾何設計方面的文章感興趣，可以關注單車基械匠，後邊還會延續今天內容繼續講解。而今天的也只是冰山一角，並且也算是由淺入深的進行的的概述。下邊幾篇文章將會繼續就我們提到的其他變量進行講解。我們下期再見：單車基械匠，每天給您帶來更多新奇，好玩，有趣，實用的單車知識。
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