Taylor, fisico e matematico britannico, esperto in meccanica dei fluidi, nasce il 7 marzo del 1886 a Londra. In un certo senso la cultura era di famiglia: il padre era un artista, mentre la madre, Margaret Boole, era nipote di George Boole (da lui discende la logica booleana, le cui basi vengono insegnate sin dalle scuole superiori), mentre aveva per zia Alicia Stott, nota per i suoi lavori sui politopi in particolare in 4 dimensioni. All'età di 11 anni, poi, rimase molto colpito dalla lettura di The principles of the electric telegraph, una serie di dispense indirizzate ai bambini.
Ambiente stimolante, dunque, tanto che ebbe modo anche di conoscere William Thomson, meglio noto come Lord Kelvin. Il suo sbocco accademico fu il prestigioso Trinity College, dove studiò matematica e fisica. Risale a quel periodo la vittoria dello Smith's Prize grazie ad un lavoro sulle onde di shock che ne estendeva uno precedente di Thomson.
Nel 1910, sembre al Trinity di Cambridge, ottene un fellowship, iniziando l'anno dopo il suo lavoro di ricerca in meteorologia: le sue ricerche sulle turbolenze atmosferiche sforicarono nell'articolo Turbulent motion in fluids, che vinse l'Adams Prize nel 1915.
Con l'inizio della prima guerra mondiale, fu inviato dal governo britannico alla base aerea di Farnborough per applicare le sue conoscenze alla realizzazione degli aerei e di tutto quello che potesse essere utile all'aviazione. In tutto questo Geoffrey imparò anche a pilotare gli aerei e a gettarsi con il paracadute.
Finito il periodo della guerra, rientrò al Trinity dove applicò le sue conoscenze sulla dinamica dei fluidi all'oceanografia; si interessò, poi, al problema di un corpo che attraversa un fluido. Associato alla Royal Society, smise di insegnare per diverso tempo e ritornò a collaborare con il governo britannico durante la seconda guerra mondiale. In tutto questo si sposò nel 1925 con Stephanie Ravenhill, matrimonio che durò fino alla morte della moglie nel 1967.
Finita la guerra, proseguì le ricerche iniziate durante quel periodo: ovvero lo studio delle onde d'urto, in particolare quelle legate alle esplosioni aeree e subacquee.
Morì il 27 giugno del 1975.
Tra tutti i suoi contributi scientifici, mi concentrerei principalmente su due, iniziando dai vortici di Taylor (vedi Taylor-Couette flow):
Il vortice di Taylor è un vortice che si forma all'interno di un flusso di Taylor-Couette(1) quando il numero di Taylor(2) supera un certo valore critico. Quando avviene ciò, all'interno del flusso si vanno a formare delle forme toroidali, impilate una sull'altra a una certa distanza, che ruotano intorno al cilindro più interno: questi tori sono i vortici di Taylor.
Il flusso è poi caratterizzato dai seguenti parametri geometrici: \[\mu = \frac{\Omega_2}{\Omega_1}\] e \[\eta = \frac{R_1}{R_2}\] dove con $\Omega$ sono indicate le velocità angolari e con $R$ i numeri di Reynolds(3) dei due cilindri, rispettivamente 1 per quello interno e 2 per quello esterno.
Quando $\mu$ e $\eta$ tendono a 1, il valore critico del numero di Taylor è circa 1708(4).
Taylor, osservando la foto, realizzò una semplice analisi dimensionale, ottenendo un valore di 20 chilotoni, che differisce di appena il 10% dal valore ufficiale di 20 chilotoni. Per ottenere il valore, Taylor osservò che il raggio R dell'esplosione dovrebbe inizialmente dipendere solo dall'energia E, dal tempo t dalla detonazione, dalla densità ρ dell'aria: \[R = S(\gamma) \left ( \frac{E t^2}{\rho} \right )^{\frac{1}{5}}\] dove $S(\gamma)$ è una funzione di $\gamma$, rapporto del calore specifico dell'aria.
Questa formula, nata da semplici osservazioni dimensionali, è però solo l'inizio della storia. Taylor, infatti, realizzò ben due articoli scientifici: The Formation of a Blast Wave by a Very Intense Explosion. I. Theoretical Discussion(5) e The Formation of a Blast Wave by a Very Intense Explosion. II. The Atomic Explosion of 1945, entrambi pubblicati sul Proceedeings of the Royal Society A201 di marzo 1950 e scaricabili gratuitamente.
Il primo articolo si occupa dei dettagli teorici e, dopo aver dato la legge fenomenologica del raggio dell'esplosione, inizia con i calcoli classici, partendo dall'equazione del moto dell'esplosione: \[\frac{\partial u}{\partial t} + \frac{\partial u}{\partial r} = - \frac{p_0}{\rho} \frac{\partial y}{\partial r}\] dove $u$ è la velocità radiale, $r$ la distanza dal centro dell'esplosione, $p_0$ la pressione dell'atmosfera non perturbata, $\rho$ la densità dell'atmosfera perturbata, $y$ il rapporto tra la pressione dell'atmosfera perturbata e $p_0$.
Oltre ai calcoli, Taylor perfezionò anche una serie di grafici e calcoli numerici (presenti anche nel secondo articolo, quello in cui discuteva dell'esperimento del 1945), a dimostrazione della sua duttilità come matematico e fisico.
In conclusione: uno scienziato abile nei calcoli matematici così come nell'uso delle moderne tecnologie, ma che non dimenticava mai gli aspetti fisici dei problemi che aveva di fronte.
(1) In maniera molto semplice, si può intendere un flusso di Taylor-Couette come un fluido confinato tra due cilindri in rotazione uno opposto all'altro.
(2) Il numero di Taylor è una quantità adimensionale che misura la forza centrifuga all'interno di un fluido viscoso.
(3) Il numero di Reynolds è una quantità adimensionale che misura il rapporto tra le forze inerziale e viscosa all'interno di un fluido.
(4) Una evidenza sperimentale di un comportamento simile a quello descritto venne osservato da Gollub e Swinney nella prima metà degli anni settanta. Le loro osservazioni vennero pubblicate sul Physical Review Letters 35: 927–930 del 1975. Vedi Onset of turbulence in a rotating fluid.
(5) Oltre a questo articolo, per l'equazione del raggio dell'esplosione vedi anche Nuclear weapon yield.
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