Почему устойчив велосипед? Сам по себе как тех устройство, без учёта балансировая велосипедиста.

Почему велосипед не падает, не вполне понятно, особенно на первый взгляд. Площадь его опоры очень мала, даже если шины весьма широкие и слабо накачаны. Поставленный вертикально, он долго не простоит. Обычно он падает на бок через 2 - 4 секунды, но если его удачно толкнуть вперед, падение случится через 10 - 15 секунд. Именно этим велосипед решительно отличается от трёхколесного велосипеда и четырехколесного автомобиля. Даже если отбросить влияние велосипедиста на устойчивость, то во время езды велосипед гораздо устойчивей, чем во время остановки. Управляться он может также по-разному, и не только поворотом руля. Если вспомнить езду «без рук», то становится понятно, что факторов, обеспечивающих устойчивость велосипеда, несколько. Рассмотрим главные. Но прежде, еще одно короткое замечание: у велосипеда существуют две устойчивости и одна управляемость. Первая устойчивость — это вертикальная, вторая — продольная, или курсовая устойчивость, а управляемость — только продольная (курсовая). Само собой, чем лучше продольная устойчивость, тем хуже управляемость, и наоборот. Сложность заключается во взаимосвязи этих трех важных параметров. Один влияет на другой, другой на третий и рассказать, положим, о вертикальной устойчивости, не упоминая продольную, затруднительно. Но в любом случае, каждому практикующему велосипедисту важно сохранить равновесие, или баланс и катить в правильном направлении.

Равновесию на малой скорости или даже стоя на месте, как лихо демонстрируют некоторые умельцы, помогает геометрия вилки и рулевой колонки. Поворачивая руль, мы сдвигаем центральную линию велосипеда, проходящую через точки контакта с поверхностью переднего и заднего колес. Так мы подстраиваем ее под слегка сдвинувшийся в сторону центр тяжести велосипедиста и его верного двухколесного коня. Балансирование на месте всем хорошо известно и знакомо — это сюрпляс. Подробно о полезных свойствах вилок и их влиянии на устойчивость можно посмотреть чуть ниже.
http://velofun.ru/cycling-technique/pochemu-velosiped-ne-padaet.html

Вопрос устойчивости велосипеда и вращяющегося колеса, остаётся без популярного ответа уже много лет. Есть только один практический способ объяснить его устойчивость. Нужно перевернуть велосипед, раскрутить колесо и надавить мелом на покрышку. Мы увидим что мел оставил след по всей окружности покрышки. Так и любое наше усилие по наклону колеса будет ободом переносится по ходу вращения на ось перпендикулярно врашению и движению. Без физического описания движния частей колеса и рамы в пространстве на популярном уровне на вопрос устойчивости велосипеда в ответа нет.