スーパーマーケットのショッピングカートのキャスターが自由に回転できるのはなぜでしょうか。?

スーパーマーケットのカートや空港の荷物カートの下部には4つのキャスターホイールがあります。よく見ると、キャスターホイールの車軸は車体に固定されていないことがわかります。車轴が車体に固定されていたら、キャスターホイールは前方に向かって直進するだけで、車は曲がることはできないでしょう。また、カートを前に押すと、キャスターホイールは常に回転軸の後方に追随しています。後退に切り替えると、キャスターホイールは突然垂直軸を180度回転し、回転軸の位置に戻ります。通常、キャスターホイールの移動方向は前進方向と一致しなければ、カートはスムーズに移動できません。キャスターホイールの移動方向が前進方向と一致しない場合、地面の摩擦力が垂直軸にトルクをかけ、キャスターホイールを前進方向に合わせる位置に動かします。
自転車のキャスターホイールも同様の現象があります。自転車のフロントフォークの回転軸を地面に延長すると、その交点は常に前輪と地面の接触点の前方に位置しています。カートを前に押すと、前輪は前進方向に顺応して動きます。後退に切り替えると、前輪とフロントフォークの相対位置が逆になり、横方向の摩擦力の方向も逆になり、前輪が左右に揺れます。自転車のフロントフォークの回転軸と前輪と地面の接触点の相対位置は、自転車の運動安定性に非常に重要です。この作用を理解するために、特殊な自転車を作ってみましょう。その特殊な自転車では、フロントフォークの回転軸の延長線が前輪と地面の接触点の後方に位置しています。このような自転車に乗っても、どんなに上手に操作しても、自転車は倒れません。自転車は発明されて200年以上経っていますが、静止した自転車を押すと倒れ、乗っていて倒れないという力学原理を説明するのは決して容易ではありません。上記の前輪の回転軸の位置は、自転車の安定性に重要な要素であり、車輪の回転時の慣性よりも重要なものです。