자전거가 쓰러지지 않고 달릴 수 있는 이유는 타는 사람이 균형을 유지하기 때문이다. 타는 사람은 자전거와 자신의 자세 변화, 노면상태에 따른 앞바퀴나 핸들의 반응 등 모든 변화를 감지하고 순간적 또는 무의식 중에 핸들을 조작하고 몸의 균형을 조정함으로써 자전거를 제어하는 것이다. 즉, 자전거가 쓰러지지 않고 달리기 위해서는 인간의 피드백 능력이 가장 중요하다. 자전거 자체에도 전혀 안정성이 없는 것은 아니고, 일단 달리기 시작하면 잘 쓰러지지 않는 관성을 지니게 된다. 자전거의 직립 안정성의 역학적 원인으로는 이로 효과, 앞바퀴의 프리세션 효과는 팽이가 쓰러지지 않고 도는 것과 같은 원리이다.

팽이처럼 회전하고 있는 물체는 모두 회전축 방향을 바꾸지 않으려는 성질을 가지고 있는데 이를 자이로 효과라고 하며, 자전거에도 이러한 역학관계가 발생한다. 또, 회전하고 있는 팽이의 굴대 한 끝에 옆으로부터 힘을 가하면 힘을 가한 방향의 직각방향으로 움직이는 성질이 있는데 이것이 프리세션 효과이다. 주행 중에 자전거가 쓰러지기 시작하여 앞바퀴의 허브축이 한 쪽으로 기울게 되면 프리세션효과로 인해서 허브축은 직각방향인 뒤쪽으로 밀리게 된다. 이 때문에 쓰러지기 시작한 앞바퀴는 머리를 흔들며 기울어진 쪽으로 커브하게 되므로 쓰러지지 않고 계속 주행할 수 있게 되는 것이다.

앞바퀴의 중량효과는 앞바퀴가 한 쪽으로 기울어졌을 때 그 방향으로 머리를 혼드는 성질이 있어서 이것 역시 자전거가 쓰러지지 않게 한다. 중량효과가 발생하는 것은 앞포크에 오프셋이 있어서 앞바퀴 가운데서 핸들의 회전축보다 앞쪽 부분의 중량이 뒤쪽 부분의 중량보다 크기 때문이다. 자전거는 이와 같은 역학적 성질과 함께 혼자서 진로를 유지하여 똑바로 나아가는 직진 안정 성을 지니고 있으며 타는 사람이 바라는 대로 커브할 수도 있다. 자전거가 직진할 수 있는 것과 커브를 돌 수 있는 것은 밀접한 관련이 있는데, 이는 타이어와 지면 사이에 사이드포스라고 하는 가로방향의 힘이 작용하기 때문이다.

똑바로 나아가고 있던 상태에서 핸들을 꺾으면 앞바퀴의 회전면과 진행방향 사이에 오차가 생겨 타이어와 지면의 접면에 마찰이 일어나는데, 이 때 앞바퀴의 방향각도를 되돌리려는 모멘트로서 진행방향과 직각으로 사이드포스가 작용한다. 이 힘은 또한 차체가 기울어졌을 때에도 바퀴에 사이드포스가 발생하며, 이 때의 힘은 바퀴의 기울기를 줄이려고 하는 모멘트로서 작용한다.

이와 같이 차체가 쓰러지려고 하면 자동적으로 사이드포스가 작용, 앞바퀴의 방향과 수레바퀴의 기울기를 본디의 방향으로 되돌 리려고 하므로 자전거는 자동적으로 회복되어 사이드포스는 소멸된다. 한편 자전거가 커브할 때에는 탄 사람이 꺾은 핸들을 그대로 유지한다거나 몸을 기울인 상태로 있게 되면 사이드포스가 소멸되지 않고 계속적으로 작용하므로 자전거는 가로방향으로 당겨지면서 선회하게 되는 것이다.