Виноват стробоскопический эффект. Дело в том, что в некоторых ситуациях мы видим движущийся предмет не непрерывно, а только в отдельные моменты. Например, в кино за секунду мы успеваем увидеть 24 кадра — 24 отдельные фотографии. То, что происходило между кадрами, мы не видим. А теперь представим себе, что колесо крутится ровно 24 раза в секунду. Тогда за время между кадрами оно успеет сделать ровно один оборот. На следующем кадре оно окажется в точно таком же положении, что и на предыдущем. И на следующем тоже. И на следующем. В итоге нам будет казаться, что оно стоит на месте. Ну а если за 1/24 секунды оно сделет не полный оборот, а чуть меньше, то с каждым следующим кадром оно будет слегка «отставать» от предыдущего — и нам покажется, что оно вращается в другую сторону.
Такую иллюзию можно увидеть и в реальной жизни. Для этого нужно, чтобы предмет освещался не постоянно, а короткими частыми вспышками. Если за время между вспышками, когда то же колесо погружено во тьму и не видно, оно успеет сделать полный оборот, нам опять же покажется, что оно стоит на месте. Ну а ламп, которые дают такой мерцающий свет, вокруг нас полно: например, натриевые лампы, которыми ночью освещают улицы (у них характерный жёлтый свет) и многие дешёвые светодиодные лампочки не светят непрерывно, а мигают сто раз в секунду.
Кстати, чтобы вращающееся колесо показалось неподвижным, оно не обязано поворачиваться между кадрами/вспышками именно на полный оборот. Ведь часто колёса обладают вращательной симметрией, то есть, грубо говоря, их можно повернуть на неполный оборот и при этом получить ту же картину. Скажем, если у колеса шесть совершенно одинаковых спиц, то после поворота на 1/6 (а также 2/6, 3/6, 4/6 и 5/6 ) полного оборота мы не заметим разницы. Поэтому чтобы на киноплёнке такое колесо не двигалось, оно может вращаться 4 (24/6), 8, 12, 16 или 24 раза в секунду. Конечно, если частота станет чуть меньше любого из этих значений, то оно будет «крутиться в другую сторону».