La física del flujo estrangulado limita la velocidad del cilindro neumático cuando una válvula, un racor, un tubo, un regulador de caudal, un puerto o un dispositivo de escape alcanza su caudal másico máximo. Para el aire seco ideal, el umbral orientativo es una relación entre la presión absoluta aguas abajo y aguas arriba cercana a 0,528. Por debajo de esa relación, seguir reduciendo la presión aguas abajo no aumenta el caudal a través de la misma restricción (NASA Glenn Research Center, consultado en 2026).
Ese límite corresponde a un trayecto de flujo concreto, no al cilindro como máquina completa. Un cilindro puede tener un trayecto de alimentación estrangulado durante la extensión, un trayecto de escape estrangulado durante la retracción o una pérdida de presión normal sin estrangulamiento sónico. Elevar la presión aguas arriba todavía puede aumentar el caudal másico estrangulado, pero también modifica la fuerza del cilindro, el consumo de aire y la demanda energética. Mida antes de ajustar el regulador.
Según nuestra experiencia, la primera prueba que aporta más información es un registro sincronizado de la presión a la entrada de la válvula, las presiones en ambos puertos del cilindro y el tiempo de carrera. Un manómetro estático en el regulador no permite saber qué trayecto activo consume presión mientras el pistón se mueve.
Puntos clave
- El aire seco ideal alcanza el umbral sónico cerca de una relación de presión absoluta de 0,528.
- El estrangulamiento impide obtener más caudal al reducir la presión aguas abajo, no al aumentar la presión aguas arriba.
- Calcule el caudal objetivo de la carrera antes de seleccionar la válvula y el tubo.
- Compruebe por separado los trayectos de alimentación y escape con mediciones dinámicas de presión.
¿Qué limita realmente el flujo estrangulado?
La relación de flujo compresible de la NASA alcanza el caudal másico máximo a Mach 1 en el área efectiva más pequeña. En ese punto, una reducción adicional de la presión aguas abajo no puede transmitir una perturbación de presión aguas arriba a través de la garganta, por lo que la misma área no puede dejar pasar más masa por segundo salvo que cambien la presión total aguas arriba, la temperatura aguas arriba o el área efectiva (NASA, consultado en 2026).
El flujo estrangulado es la condición de caudal másico máximo en la garganta que controla el flujo para el estado especificado aguas arriba. No significa que todos los pasos del circuito sean sónicos ni que el cilindro tenga una única velocidad máxima permanente.
Para un gas ideal, la relación crítica entre la presión aguas abajo y aguas arriba es:
Aquí, es la presión absoluta aguas arriba, es la presión absoluta aguas abajo y es la relación de capacidades caloríficas. Con para una estimación con aire seco, la relación es aproximadamente 0,528. No se puede utilizar directamente la presión manométrica porque omite la presión atmosférica.
La relación crítica de presiones es la presión absoluta aguas abajo dividida entre la presión absoluta aguas arriba en la transición al régimen estrangulado. Los componentes neumáticos reales pueden apartarse del valor del gas ideal, por lo que tiene prioridad la relación indicada en la ficha técnica.
La relación ideal del caudal másico estrangulado es:
En esta ecuación, es el coeficiente de descarga, es el área efectiva de la garganta, es la presión absoluta de estancamiento aguas arriba, es la temperatura absoluta aguas arriba y es la constante del gas. La consecuencia práctica puede pasar desapercibida: el flujo estrangulado es proporcional a la presión absoluta aguas arriba. Elevar la presión puede aportar más caudal, pero no es un ajuste de velocidad sin costes.
La norma ISO 6358-1 define métodos de ensayo en régimen estacionario para componentes neumáticos con trayectos de flujo internos fijos o variables. Se confirmó en 2022 y recibió una enmienda sobre incertidumbre de medición en 2026 (ISO 6358-1; ISO 6358-1:2013/Amd 2:2026). Cuando la ficha técnica de una válvula indique conductancia sónica y relación crítica de presiones, utilice esos valores ensayados en lugar de considerar 0,528 como una constante universal del componente.
Para profundizar en los datos de las válvulas, consulte conductancia sónica y relación crítica de presiones en válvulas neumáticas.
¿Cómo se convierte el caudal en un límite de velocidad del cilindro?
El ejemplo de Parker para dimensionar una válvula neumática utiliza un diámetro de 3,25 pulgadas, una carrera de 12 pulgadas, una alimentación de 80 psig y un tiempo de carrera de un segundo para obtener un Cv necesario de 1,06. El ejemplo muestra que es preciso conocer el requisito de movimiento antes de seleccionar la capacidad de la válvula (Parker Hannifin, consultado en 2026).
La relación cinemática es:
Aquí, es la velocidad del pistón, es el caudal volumétrico a la presión y temperatura reales de la cámara y es el área del pistón para la extensión o el área anular para la retracción. No divida directamente un valor SCFM de catálogo o un caudal en litros normales entre el área del pistón. Primero debe convertir el caudal estándar a las condiciones de la cámara.
Para una primera estimación isotérmica del caudal de aire libre necesario:
En esta ecuación, es la carrera, es el tiempo de carrera objetivo, es la presión absoluta estimada de la cámara y es la presión normal de referencia seleccionada. Indique la condición de referencia porque el NIST señala que las unidades de caudal estándar de gas pueden presuponer temperaturas distintas (NIST, actualizado en 2025).
Este cálculo es una estimación de la demanda, no una garantía. El volumen muerto, el volumen del tubo, el cambio de temperatura, la fricción de las juntas, la restricción de la amortiguación, la acumulación de presión, la aceleración de la carga y la respuesta de la válvula afectan a la carrera medida. Aun así, ofrece un punto de partida justificable para revisar la válvula y el tubo.
La velocidad dinámica del cilindro es el desplazamiento medido del pistón por unidad de tiempo mientras cambian las presiones de las cámaras, la carga y las restricciones de caudal. No debe tratarse como un caudal de catálogo dividido entre el área del pistón sin convertir la presión.
Si ya conoce el caudal disponible, la calculadora de velocidad del cilindro puede estimar las velocidades de extensión y retracción antes de aplicar las pérdidas de la máquina real.
¿Por qué la presión puede mejorar la aceleración sin resolver la falta de velocidad?
El NIST indica que una atmósfera estándar equivale a 14,6959 psi, por lo que una comprobación de la relación con 80 psig y 30 psig debe utilizar aproximadamente 94,7 psia y 44,7 psia. La relación resultante es 0,472, inferior al umbral de 0,528 para el aire ideal (NIST, actualizado en 2025).
Ese resultado identifica un posible flujo estrangulado en la restricción medida. No demuestra que todo el actuador haya alcanzado un límite universal de velocidad. El trayecto de la válvula puede estar estrangulado mientras el silenciador de escape, el tubo, la aguja de amortiguación, la carga o el ajuste del controlador siguen imponiendo un límite mayor.
El movimiento del cilindro también modifica la presión a ambos lados del pistón. Un balance de fuerzas útil es:
Aquí, y son las presiones manométricas de las cámaras que actúan en sentidos opuestos, es el área del pistón, es el área anular del lado del vástago y los términos restantes representan la fricción y la carga externa. Utilice pascales y metros cuadrados para obtener la fuerza en newtons, o bien un conjunto coherente de unidades anglosajonas.
Una mayor presión de alimentación puede elevar el diferencial de presión inicial y acortar el tiempo de aceleración. Sin embargo, cuando la cámara en movimiento no puede llenarse o descargarse con suficiente rapidez, la velocidad deja de seguir el cálculo de fuerza estática. Por eso un cilindro puede mostrar una fuerza aceptable en reposo y, aun así, no cumplir el tiempo de ciclo.
La fuerza estática y la velocidad dinámica requieren pruebas de aceptación distintas. Una lectura de presión tomada después de detenerse el pistón aporta poca información sobre la presión disponible a mitad de una carrera rápida. Registre las presiones de ambas cámaras durante el movimiento y compárelas con la posición de la carrera o con el tiempo transcurrido.
¿Qué componente de alimentación o escape constituye la verdadera restricción?
CAGI señala que un sistema de aire de planta bien diseñado suele mantener la caída de presión entre la descarga del compresor y el punto de uso dentro del 10 %. También recomienda instalar tomas de control de presión, porque los filtros, secadores, racores, tuberías, válvulas y mangueras generan pérdidas mientras circula el aire (CAGI Pressure Drop Technical Brief, consultado en 2026).
Dentro de una máquina, el trayecto más restrictivo puede cambiar con el sentido de movimiento. Una válvula 5/2 utiliza distintos pasos de corredera y escape para la extensión y la retracción. Un regulador de caudal unidireccional tiene un sentido de flujo libre y otro regulado. Un silenciador obstruido puede afectar a un solo puerto de escape. Compruebe todo el trayecto activo.
Tres puntos de presión dinámica separan la pérdida de aire de planta, la restricción del trayecto de la válvula y la contrapresión de escape.
| Síntoma | Primera medición | Interpretación probable |
|---|---|---|
| Lentitud en ambos sentidos | P1 a la entrada de la válvula | regulador, filtro, tubo común de alimentación o demanda compartida |
| Solo es lenta la extensión | P1 y P2 del lado de la tapa | un trayecto de la válvula, racor, regulador o puerto del lado de la tapa |
| Solo es lenta la retracción | P1 y P2 del lado del vástago | trayecto opuesto de la corredera, conexión del lado del vástago o escape |
| La velocidad disminuye cerca del final | presiones de ambas cámaras | restricción de amortiguación, descenso del diferencial de presión o cambio de carga |
| Aguja completamente abierta sin aumento de velocidad | P1, P2 y P3 en el escape | otra restricción se ha vuelto dominante |
| La fuerza estática es suficiente pero el ciclo falla | presiones de las cámaras durante el recorrido | capacidad dinámica de llenado o escape insuficiente |
Para una resolución de problemas más amplia en el lado de la planta, utilice la guía sobre caídas de presión en aire comprimido. Para conocer la diferencia entre una pérdida normal y un comportamiento limitado por condiciones sónicas, consulte qué causa el flujo estrangulado en los sistemas neumáticos.
¿Cómo debe comprobar un posible límite de velocidad?
El ejemplo de cálculo de Parker para una válvula plantea una carrera de un segundo, mientras que CAGI recomienda instalar tomas de presión en lugar de confiar en un único manómetro estático. En conjunto, estas prácticas definen la prueba de campo: registrar la presión dinámica y el tiempo real de carrera durante el mismo ciclo, con la carga y el ajuste del controlador reales (Parker; CAGI).
- Registre el diámetro, el diámetro del vástago, la carrera, el sentido de la carga, el tiempo objetivo y el tiempo actual.
- Registre el modelo de válvula, el caudal nominal, el trayecto activo entre puertos, el diámetro interior y la longitud del tubo, los racores, los reguladores de caudal y los silenciadores.
- Instale sensores de respuesta rápida en la entrada de la válvula y en ambos puertos del cilindro. Añada un punto en el lado de escape si sospecha de un silenciador o colector.
- Registre la extensión y la retracción por separado. Utilice los valores de presión de la parte móvil de la carrera.
- Convierta la presión manométrica en presión absoluta antes de calcular .
- Compare el caudal requerido por el cilindro con la curva de caudal del fabricante de la válvula o con los datos ISO 6358.
- Modifique una sola restricción cada vez y repita el registro de presión y la medición del tiempo de carrera.
En nuestro trabajo, cambiar una variable cada vez es lo que hace útil el registro. Sustituir simultáneamente la válvula, el tubo, los racores y el silenciador puede mejorar la velocidad, pero no identificará la restricción que controla el sistema ni mostrará qué cambio era necesario.
Suponga que el trayecto activo de la válvula mide 80 psig aguas arriba y 30 psig aguas abajo durante la extensión. Con el valor atmosférico de 14,6959 psi del NIST se obtienen 94,7 psia y 44,7 psia. La relación es 0,472, por lo que ese trayecto está por debajo del umbral orientativo para el aire ideal. Compruebe ahora si coincide con la relación crítica ensayada de la válvula y si el lado de escape también mantiene una contrapresión excesiva.
Un diagnóstico útil necesita un registro de antes y después, no un escape más ruidoso. Si una válvula mayor eleva P2 y acorta la carrera, el trayecto de la válvula era relevante. Si P2 apenas cambia, el límite restante puede estar en los tubos, el escape, la amortiguación, la carga o una alimentación insuficiente en el punto de uso.
La guía de dimensionamiento de válvulas reguladoras de caudal relacionada explica cómo la demanda de la carrera se convierte en una selección de capacidad. La guía de caudal de aire y presión explica por qué un valor de caudal no permite predecir la presión sin conocer el trayecto de funcionamiento.
Orden de corrección basado en mediciones
CAGI recomienda mantener la velocidad en las tuberías cerca o por debajo de 20 ft/s para reducir la turbulencia y la pérdida de presión en la distribución; sus indicaciones sobre caída de presión también aconsejan aumentar el diámetro del tubo y reducir al mínimo la longitud innecesaria antes de elevar la presión del compresor (CAGI Pressure Drop Technical Brief, consultado en 2026). No obstante, el dimensionamiento de los tubos de la máquina debe seguir las especificaciones del fabricante para el caudal máximo.
Según nuestra experiencia, la secuencia más segura empieza por la demanda y las mediciones y, a continuación, avanza hacia fuera desde la mayor pérdida de presión observada. Así se evita que un problema de velocidad se convierta en un exceso de fuerza del cilindro, energía de impacto o consumo de aire comprimido.
Siga este orden:
- Confirme la demanda. Calcule el caudal de extensión y retracción a partir del diámetro, el vástago, la carrera, la presión y el tiempo objetivo.
- Mida la alimentación dinámica. Corrija un filtro, regulador, tubo común o colector subdimensionado o contaminado antes de cambiar el actuador.
- Compruebe el trayecto activo de la válvula. Compare las curvas de caudal del fabricante, los datos de dimensionamiento Cv o la conductancia ISO 6358 para los trayectos exactos de alimentación y escape.
- Elimine los cuellos de botella locales. Inspeccione reductores, codos, acoplamientos rápidos, racores instantáneos estrechos, reguladores de caudal y adaptadores de los puertos del cilindro.
- Compruebe el escape por separado. Un silenciador pequeño o una válvula con regulación a la salida puede limitar la velocidad aunque la presión de alimentación parezca adecuada.
- Revise la amortiguación y la carga. La amortiguación de fin de carrera, la fricción estática, la carga lateral y las cargas arrastrantes pueden simular un límite de caudal.
- Eleve la presión solo después de revisarlo. Recalcule primero la fuerza, las presiones nominales de los componentes, el consumo de aire, la energía de impacto y el margen de seguridad.
La rosca más pequeña no es automáticamente la garganta que controla el flujo. Una válvula nominalmente mayor puede contener una ventana de corredera menor que un racor compacto, mientras que un regulador de caudal totalmente abierto puede seguir teniendo un codo interno restrictivo. Compare los datos de caudal ensayados y la presión dinámica, no el aspecto.
Si los resultados siguen siendo ambiguos, envíe el modelo de la válvula, el diámetro, el diámetro del vástago, la carrera, el sentido de la carga, las dimensiones de los tubos, los ajustes de los reguladores, el registro de presión dinámica y el tiempo de carrera mediante la página de contacto técnico.
La regla definitiva sobre el límite de velocidad
La NASA sitúa el caudal másico ideal máximo en Mach 1, mientras que la norma ISO 6358-1 define el marco de ensayo en régimen estacionario de las características de flujo de los componentes neumáticos. En conjunto respaldan la regla definitiva: calcule la demanda del cilindro, mida el trayecto activo durante el movimiento y utilice datos de componentes ensayados antes de elevar la presión (NASA; ISO).
La velocidad máxima práctica de un cilindro es el punto en el que el caudal disponible de alimentación y escape, el diferencial dinámico de presión, la carga, la fricción y la amortiguación ya no permiten un movimiento estable más rápido. El flujo estrangulado puede fijar ese límite, pero solo las mediciones pueden mostrar si se produce en la válvula, el tubo, el racor, el regulador, el puerto o el dispositivo de escape.
Preguntas frecuentes sobre el flujo estrangulado y la velocidad del cilindro
La NASA identifica Mach 1 como la condición de caudal máximo en una garganta, mientras que el NIST indica 14,6959 psi como presión atmosférica para convertir la presión manométrica en absoluta. Estos dos datos responden a la mayoría de las preguntas de campo: utilice presión absoluta, identifique la restricción activa y recuerde que un límite sónico se aplica a un trayecto, no a todo el actuador (NASA; NIST).
¿Significa el flujo estrangulado que aumentar la presión de alimentación nunca puede incrementar la velocidad del cilindro?
No. Para una garganta y una temperatura fijas, el caudal másico ideal estrangulado aumenta con la presión absoluta aguas arriba. Lo que deja de aportar mejoras es seguir reduciendo la presión aguas abajo. Elevar la presión de alimentación aún puede aumentar el caudal y la aceleración, pero también eleva la fuerza y la demanda de aire. Localice la restricción y compruebe los valores nominales de los componentes antes de cambiar la presión.
¿Cómo puedo saber si está estrangulado el trayecto de alimentación o el de escape?
Mida la presión dinámica a ambos lados de la restricción sospechosa durante la carrera que falla, convierta las lecturas a presión absoluta y calcule . Repita la operación en el sentido opuesto. Una relación baja señala un posible flujo estrangulado; los datos ISO 6358 de la válvula o la curva de caudal del fabricante deben determinarlo de forma definitiva.
¿Puedo calcular una velocidad máxima exacta del cilindro únicamente a partir del Cv?
No. El Cv puede utilizarse en un método de dimensionamiento neumático aprobado por el fabricante, pero la velocidad también depende de la presión de la cámara, la temperatura, la respuesta de la válvula, los tubos, los racores, la contrapresión de escape, la carga, la fricción y la amortiguación. Calcule primero el caudal objetivo, compruebe preliminarmente la capacidad de la válvula y confirme el resultado con carreras cronometradas y registros de presión dinámica.
¿Por qué el cilindro tiene toda la fuerza en reposo pero se mueve demasiado despacio?
Después de detenerse el movimiento, la cámara dispone de tiempo para acercarse a la presión regulada, por lo que una prueba de fuerza estática puede resultar satisfactoria. Durante una carrera rápida, los trayectos restringidos de alimentación y escape generan presiones distintas en las cámaras y reducen el diferencial de presión aprovechable. Registre la presión de ambos puertos durante el recorrido para mostrar esa pérdida dinámica.
¿Qué componente debo aumentar primero?
Cambie el componente que consume la mayor proporción de presión dinámica durante el movimiento problemático. Puede ser una válvula direccional, un tubo, un racor, un regulador de caudal, un paso del colector, un adaptador del cilindro o un silenciador. Una rosca de puerto mayor no demuestra por sí sola que el trayecto interno de flujo sea mayor, así que compare la capacidad ensayada y repita la misma medición.
Fuentes y referencias técnicas
- NASA Glenn Research Center, Mass Flow Choking, ecuación del caudal másico compresible y condición de caudal máximo a Mach 1. Consultado el 2026-07-18.
- ISO, ISO 6358-1:2013, ensayo de caudal en régimen estacionario para componentes neumáticos que utilizan fluidos compresibles. Confirmada en 2022.
- ISO, ISO 6358-1:2013/Amd 2:2026, enmienda sobre incertidumbre de medición. Publicada en 2026.
- Parker Hannifin, Pneumatic Valve Products Engineering Data, método neumático de Cv y ejemplo resuelto de un cilindro con carrera de un segundo. Consultado el 2026-07-18.
- NIST, Pressure and Gas Flow Unit Conversions, conversión de presión y condiciones de referencia del caudal estándar de gases. Actualizado en 2025.
- CAGI, Technical Brief on Pressure Drop, control dinámico de presión y directrices sobre caída de presión del aire comprimido. Consultado el 2026-07-18.
- AutomationDirect, How to Select a Pneumatic Cylinder, contexto de selección del cilindro según carga, presión, diámetro y carrera. Consultado el 2026-07-18.