看到这个问题让我想起了我之前在 Quora 上看到的一位活跃的 NASA 工程师的一个非常精彩的答案
罗伯特·弗罗斯特
，他回答了一个知乎上也很常见的【怎么给孩子解释XXX】类型的问题——
你会如何向只知道物理学基础知识、NASA 航海者 1 号和航海者 2 号的工作原理和用途的 8 年级学生解释？
如何向只懂一些基本物理的 8 年级学生解释航海者 1 和 2 的工作原理以及它们的作用和作用？
本答题知识体系逐步完善，科普过程完整清晰，解说态度也很认真，答题者作为相关工作者，专业素养扎实这也为这个答案提供了独特的视角和深刻的见解。
在阅读这个答案的过程中，我被他真诚的写作态度深深打动，同时也让我多方面思考。
今天才看到这个问题，决定翻译这个精彩的答案，希望得到专业的指正。好的，我们开始吧。
（以下图片可点击放大）
在太阳系中，行星都以不同的速度围绕太阳公转，它们的轨道不同，它们的弧度也不同，所以它们都沿着自己独特的轨道运行，如下图所示。
在 1970 年代中期，出现了百年一遇的机会。太阳系中的几颗行星移动到了一个奇妙的相对位置。它们都在一个完美的弧线上，而这条弧线可以让飞行器顺利通过，而在这条航线上，飞行器可以与这些行星近距离接触。下图中的黄色曲线就是这条美丽的弧线。
现在，你可能会想，这条路线似乎效率不高，为什么要走弯道，走直线不是更方便吗？
这是个好主意，但你要知道飞机是从地球发射的，而我们的地球也在绕太阳运行，也就是说从地球发射的所有物体都只能从地球发射。一种剥离方式。
如果这没有意义，让我们在较小的范围内看看它。
首先，我们想象在我们面前有一个扁平的圆盘。它是静止的。这时，一只蚂蚁正从它的中心爬出来。
然后让盘子再次旋转，看看蚂蚁走的路线。
如果蚂蚁一直在圆盘上，那么既然圆盘有角速度，蚂蚁自然会有，所以此时蚂蚁的运动轨迹（在圆盘外的人眼中）是一条曲线。
能够制造出太空飞行器，让它完成许多重要的任务，对人类来说是一项了不起的成就，而我们上面提到的如此完美的运行曲线，每179年才出现一次。显然，任何人都没有理由错过这个绝佳的机会。
怀着这种心态，我们决定制造两架完全相同的飞机，这样即使第一架出现问题，我们也可以使用第二架来维持计划的运行。他们被命名为航海者 1 号和航海者 2，这就是兄弟俩的样子。
每个旅行者都配备了大量的科学仪器来收集他们遇到的物质的信息，并记录他们周围的环境。他们带了一台相机来为他们私人住宅中的行星拍照，还带了一个磁力计来测量磁场的强度和方向，以探测宇宙射线和等离子体。
看到那些又白又高的天线，我们稍后再谈，但现在，让我们回答第一阶段可能出现的问题：
问题一.使旅行者保持运动的推力是什么，他们会在宇宙中漂流多久？
想象一下，你正在和你的同学在操场上打棒球。你把球扔给你旁边的人，过了一会儿你把球扔给远处的同学。不用想太多，自然而然地使用它。更多的权力，为什么？
你可能认为需要更大的力，因为一旦你扔球，你施加在它身上的力就会消失。
一个力（Force）可以加速（Accelerate）一个有质量（Mass）的物体，你的手臂对一个静止的物体比如球施加一个力，所以它被加速然后离开你的手臂，然后加速终止。
球会受到外力的影响，速度会降为零，最后停止。
这是牛顿第一运动定律——
静止的物体将保持静止，直到它被不平衡的力移动；运动的物体会一直匀速直线运动前苏联宇宙联盟一号飞船失事原因，直到受到不平衡力的改变。
这是理解宇宙飞船运动的一个重要概念，因为在很多人的想象中，要让一架飞机在宇宙中飞行，你必须在后面放一个发动机来保持发射和助推，实际上并没有完全需要这个。
航海者号发射初期，绕地球走一圈，等到合适的时机，发动引擎，点燃一点，使他们的速度加快，进入预定的黄色轨道，飞进入太空，然后不再需要这样的助推器。
牛顿告诉我们，在旅行者的旅途中，除非受到不平衡的外力，否则他们总是会朝着一个给定的方向以恒定的速度运动。在地球上，很多东西一旦放开，它们就会很快减速，这是由于外力，比如地面摩擦和空气阻力。
旅行者离开地球进入太空后，不再遇到空气阻力，也没有真正的摩擦。但是，仍然有一种外力可以让他失去平衡，那就是万有引力。
太阳的质量很大，所以它有很强的引力。我们经常用这样的场景来想象万有引力。这就像在大帆布或弹簧床上放置一个重金属球。这个金属球会在表面压出一个洞，导致他附近的所有物体都朝他坠落。
这幅画布被重球压出曲面。离球越近，曲面越陡峭，越难爬出。离它越远，曲面越光滑，越容易爬出。 .
所以，我们的目标是给飞行器一个足够大的初始速度，这样即使他被太阳巨大的引力减速，最终速度也不会下降到零，因为随着他逐渐远离太阳，引力会越来越小。
这个速度就是我们常说的逃逸速度。
逃逸速度的计算方法是让他的动能至少等于引力势能。下面的公式在数学上表达了这一点
等式的左边是物体的动能。动能是物体由于其运动而具有的能量。他的计算有两个参数，物体的质量（mass）和速度（velocity）。
等式的右边是重力势能，它是当一个物体相对于另一个物体发生位移时产生的能量，在这种情况下，是旅行者在远离太阳时克服重力所需的能量.
通过一些简单的代入，我们得到这个公式来解决旅行者的逃跑速度-
任何达到这个初始速度的车辆都可以在没有发动机推进的帮助下离开太阳系。
我们可以发现，当r变大时，速度变小，所以离太阳越远，所需的逃逸速度就越小。让我们通过一张图片来对比一下特定位置的逃生情况。旅行者的速度和真实速度。
（绿线为不同位置的逃生速度，黄线为旅行者到该地的实际速度）
离开地球的时候，因为他和地球在同一个位置，他当时的速度和地球的速度差不多，大约36公里/秒，但是从那个位置逃逸的速度（大约42公里） /s) 还是有一定差距的。
此时他离太阳比较近，太阳的引力在强烈降低旅行者的速度，所以当他接近木星时，他的速度降到了9km/s，比这里的速度低很多逃跑的速度，但此时机智的旅行者借助木星的引力将自己的速度加速到了25km/s左右。
这个过程会在他经过每个行星时再次发生，直到他离开海王星，虽然此时速度又开始变慢，但此时他的实际速度已经远远超过了这个。以逃跑的速度，成功逃离了太阳系。
因此，旅行者将永远逃离太阳系，成为太空中的流浪者，直到被另一颗恒星吸走才回来。
好的，第二个问题来了-
问题二.NASA 如何接收旅行者的信息，他们需要多长时间才能到达地球？
NASA一直维护着自己的深空网络项目（DSN，全称：Deep Space Network），他们建造了三个巨大的深空通信设施前苏联宇宙联盟一号飞船失事原因，分别位于加利福尼亚、西班牙和澳大利亚，这三个地方分别120度所以他们只是覆盖整个地球。
这些巨型天线的接收器是一个碗状的抛物面，保证了无论信号从哪里发出，都可以反射到表面的中心，这样信号就会集中，接收效果会更好。 .
这些巨型天线的卓越设计确保它们能够接收到非常微弱的信号。理论上，即使旅行者再旅行一个世纪，他的信号强度仍然会被接收到，但实际上我们估计旅行者的能量供应将在 2025 年耗尽。
航海者兄弟号上的设备由核动力电池供电，它们刚离开地球时的功率约为 450 瓦，现在已降至 250 瓦以下。
当航海者通过他高大的白色天线指向地球的一侧发送信号时，该信号最初具有大约 19 瓦的功率，但随着传播，它会逐渐衰减。以光速飞行了16个小时，终于到达了地球。
信号到达深空网络的一个接收器并被接收，仅剩 10-16 瓦。
还好旅行者发来的信号频率很高（高达8.4 GHz），这个频率的信号在地球上基本不用，所以不会和信号混在一起很难找到手机、电视或 GPS。
让我们粗略计算一下航海者的信号到达地球需要多长时间：
航海者一号目前距离地球 19,330,000,000 公里。
航海者 2 号目前距离地球 15,799,000,000 公里。
信号的传输速度（光速）是每秒 300,000 公里。
航海者一号信号到达地球所需的时间：
19,330,000,000/300,000 = 64433 秒 = 17.9 小时。
航海者 2 号信号到达地球所需的时间：
15,799,000,000/300,000 = 52663 秒 = 14.63 小时。
我想我的解释就到此为止了，让我们来看看旅行者送我们回来的是什么：
他告诉我们-
欧罗巴厚厚的冰层之下，是一片广阔的海洋；
一场旷日持久的甲烷风暴正在泰坦上吹来；
木卫一不断地向木星的外环输送硫和氧，使其磁场日益扩大；
当太阳风撞击太阳系边界时，它的速度也会急剧下降。
地月合影
木星大气中的流体动力学，旅行者发回的照片显示其上有许多巨大的飓风
吉米德
木卫一上的一次火山喷发，那里的火山活动强度是地球的 100 倍
土星环的惊人细节，可见牧羊人卫星和扭结的 F 环。
海王星上的一片云和一个小黑点，我们在那里监测 1600 公里/小时（1000 英里/小时）的风速。
Triton 上的冰冻喷泉
航海者一号沿黄道平面行进 35 度，朝向太阳系的顶点，朝向蛇夫座。
航海者 2 号沿黄道面以 48 度角向射手座和孔雀星座行进。
航海者号将独自在银河系中漂流数十亿年，届时我们的太阳系早已死去，一颗新星将重生。而行者依旧会独自前行，而他身上，是人类文明曾经存在过的证据。
这些证据不仅仅是我们文化的声音和图像，还有一些独特的图表记录了他航行的起点——我们的地球。
而在那张CD上，还记录着总统的讯息-
航海者号宇宙飞船由美利坚合众国建造。我们是 2.4 亿人的集体，我们与居住在地球上的 40 亿人生活在一起。我们人类仍然被划分为国家，但这些国家正在迅速成为一个全球化的文明世界。
我们给外星人写信。这篇文章可能会持续下一个十亿年，那时我们的文明世界将发生深刻的变化，地球的面貌将发生巨大的变化。在银河系的 2 亿颗行星中，有一些（或许很多）是居住着生命的天体和具有星际正义的文明世界。如果这样一个文明世界截获了航海者号，并且能看懂里面的内容，我只写了下面这封信：
这是来自遥远的小世界的礼物，象征着我们的声音、我们的科学、我们的想法、我们的音乐、我们的思想和我们的情感。我们正在尝试延迟时间，以便与您的时间交流。我们希望有一天，在解决了我们所面临的困难之后，我们可以成为银河文明社区的一员。这条信息可以将我们的希望、我们的决心和我们的善意传播到广阔而令人敬畏的宇宙中。
美利坚合众国总统吉米·卡特
1977 年 6 月 16 日在白宫
