Capítulo_1 - Atuadores Pneumáticos

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AUTOMAÇÃO PNEUMÁTICA 
E HIDRÁULICA
Prof. Me. Eng. Eletricista Ricardo Camparim
ATUADORES PNEUMÁTICOS
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A diferença entre cilindro, pistão e atuador pneumático?
Fonte:: Adaptado https://www.mtibrasil.com.br/guia-do-cilindro-pneumatico.php, 
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• O que é um cilindro pneumático?
Fonte:: Adaptado https://www.mtibrasil.com.br/guia-do-cilindro-pneumatico.php, 
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• Um cilindro pneumático é um dispositivo usado para converter ar comprimido em um movimento
e/ou força. Eles promovem movimento a sistemas de automação em máquinas e processos.
• O cilindro pneumático é limpo e fácil de ser instalado e por isso ainda muito utilizado em uma
grande variedade de aplicações em todo tipo de indústria.
• Partes de um cilindro pneumático comum:
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• Tipos de cilindro pneumáticos:
Cilindro pneumático de dupla ação.
Cilindros pneumáticos de dupla ação 
com amortecimento ajustável.
Cilindro pneumático com pistão (ou 
embolo) magnético.
Cilindro pneumático de simples ação 
com retorno por mola e sem mola.
Cilindro pneumático sem haste.
Cilindro pneumático rotativo.
Cilindro pneumático rotativo de pinhão 
e cremalheira.
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Molas pneumáticas.
• Mais opções de cilindros 
pneumáticos
• Cilindro pneumático do tipo ISO.
• Cilindro pneumático com dupla
haste.
• Cilindro pneumático com múltiplas
posições.
• Cilindro pneumático anti-giro.
• Cilindro pneumático com guia.
• Cilindro pneumático com freio.
• Cilindro pneumático com curso
ajustável.
• Cilindro linear Tandem.
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Cilindro pneumático de dupla ação
• O cilindro pneumático de dupla ação é o mais comum no mercado. Ele utiliza ar comprimido 
para mover o cilindro nas duas direções, extensão e retração. 
OBS.: A velocidade de extensão e retração do cilindro pneumático pode ser controlada de 
diversas maneiras. Tais como: 
1. Reduzir a velocidade do cilindro com conexões reguladoras de fluxo.
2. Aumentar a velocidade do cilindro pneumático com válvulas de escape rápido.
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• Na grande maioria dos fabricantes já coloca os parafusos para ajuste do amortecimento nos
cilindros de dupla ação com amortecimento ajustável.
Cilindros pneumáticos de dupla ação 
com amortecimento ajustável
• Basicamente a haste do cilindro tem um diâmetro maior quando chega perto do fim do seu
curso, restringe o escape do ar e com isso amortece o cilindro. A restrição da passagem do ar
pode ser ajustada com parafusos de ajuste em cada lado do cilindro pneumático
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• O pistão magnético é interessante para você saber a posição exata do cilindro pneumático e,
por exemplo, mandar um sinal para um CLP avisando que o cilindro chegou no fim de curso.
Cilindro pneumático com pistão (ou 
embolo) magnético
Sensor magnético
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• Os cilindros de simples ação com retorno por mola têm a força de um lado do cilindro exercida
pelo ar comprimido e do outro lado do cilindro por uma mola.
Cilindro pneumático de simples ação 
com retorno por mola
OBS.: Algumas vezes este tipo de cilindro é utilizado em aplicações que requerem um nível 
maior de segurança, porque mesmo que a energia elétrica e ar comprimido acabe, a mola ainda 
garante que o cilindro retorne para a posição inicial. Ele pode ser construído com a mola para 
retrair ou estender o cilindro.
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• Os cilindros de simples ação com retorno sem mola têm seu retorno por gravidade ou outra
força externa.
Cilindro pneumático de simples ação 
com retorno sem mola.
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• Cilindro sem haste, como o nome diz, não tem haste.
Cilindro pneumático sem haste
• Ele foi desenvolvido por uma necessidade de economizar o espaço. O tamanho do cilindro não
muda e uma guia se move linearmente sobre a extensão do cilindro. Ou seja, o movimento do
cilindro é produzido sem aumentar o tamanho ocupado pelo cilindro.
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• Os cilindros pneumáticos rotativos realizam um movimento rotatório em vez de um movimento
linear como a maioria dos cilindros. O atuador rotativo pneumático é muito usado para atuar
uma válvula de processo.
Cilindro pneumático rotativo
• Cilindro pneumático rotativo de aleta
Esse tipo de cilindro pneumático gira na medida que as aletas internas são pressionadas
pelo ar comprimido, como no diagrama abaixo.
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Cilindro pneumático rotativo
• Cilindro pneumático rotativo de pinhão e cremalheira
Esse tipo de cilindro na verdade transforma o movimento linear do pistão do cilindro em
movimento giratório com o uso de engrenagens.
OBS.: Esse tipo de cilindro pneumático é muito comumente usado para atuar uma válvula de 
processo. Ele é diretamente montado acima de uma válvula de processo para exercer a força 
giratória para abrir uma válvula de processo.
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Cilindro pneumático rotativo
• A operação de uma atuador de pinhão e cremalheira é basicamente um cilindro pneumático
que movimenta e gira a cremalheira, gerando a força radial. Ele pode ser de dupla ação ou de
retorno mola.
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Cilindro pneumático rotativo
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Cilindro pneumático rotativo
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Cilindro pneumático rotativo
• Atuador rotativo do tipo Scotch Yoke
Os atuadores Scotch Yoke foram desenvolvidos para trabalhar com pouca manutenção e
eficiência mesmo em longo período de utilização. Eles funcionam com um cilindro
pneumático que aciona uma alavanca para produzir o movimento radial. Ele pode atingir
torques muito altos até 250.000Nm.
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Cilindro pneumático rotativo
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. • As molas pneumáticas também são um tipo de cilindro pneumático sem haste, de simples
ação. Elas se estendemquando inflados e retraem quando a pressão é removida. O curso
(extensão) do movimento é relativamente curto, porém muito poderoso.
Molas pneumáticas
OBS.: As principais aplicações desse tipo 
de cilindro pneumático é para isolar 
vibrações enquanto apoia um grande 
peso.
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. • Os cilindros pneumáticos do tipo ISSO.
Eles são fabricados de acordo com a norma ISO 15552, o que significa que os cilindros
pneumáticos ISO são intercambiáveis entre os diferentes fabricantes. Apesar das partes internas
não terem que ser construídas da mesma maneira, a norma garante que as dimensões externas
e montagens sejam exatamente iguais para todos fabricantes.
Mais opções de cilindros pneumáticos
Fonte:: Adaptado https://www.mtibrasil.com.br/guia-do-cilindro-pneumatico.php, 
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• Além dos cilindros pneumáticos ISO, os cilindros mini-ISO também são fabricados de acordo
com a norma ISO (ISO 6432) e são intercambiáveis, a diferença é que eles têm diâmetros
menores, abaixo de 32mm de diâmetro. Os cilindros ISO têm diâmetros de 40mm e acima.
Mais opções de cilindros pneumáticos
Fonte:: Adaptado https://www.mtibrasil.com.br/guia-do-cilindro-pneumatico.php, 
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• Cilindro pneumático com dupla haste.
O cilindro pneumático de dupla haste tem haste dos dois lados do cilindro, então exercem força e 
movimento para ambos lados. Existem algumas aplicações onde estes tipos de cilindros são 
utilizados, especialmente em correias transportadoras.
Mais opções de cilindros pneumáticos
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• Cilindro pneumático anti-giro.
Um cilindro pneumático anti-giro possui guias para impedir que a haste gire no seu próprio eixo.
Isso porque em um cilindro pneumático comum, a haste é livre para girar. É útil em algumas
aplicações de posicionamento.
Mais opções de cilindros pneumáticos
Fonte:: Adaptado https://www.mtibrasil.com.br/guia-do-cilindro-pneumatico.php, 
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• Cilindro pneumático com guia
Um cilindro pneumático comum é feito para suportar esforços na direção contraria do seu eixo 
(sua haste). Quando o cilindro pneumático é submetido a forças não axiais, é importante utilizar 
um cilindro com guia, para evitar que a haste se deforme com esses esforços fora do eixo.
Mais opções de cilindros pneumáticos
Fonte:: Adaptado https://www.mtibrasil.com.br/guia-do-cilindro-pneumatico.php, 
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• Cilindro pneumático com freio.
O cilindro pneumático com trava tem um freio montado em um dos cabeçotes. O freio está
constantemente travando o cilindro e para liberar o cilindro é preciso colocar pressão de ar no
freio.
Mais opções de cilindros pneumáticos
Freio linear -UNIVER
l1-n series
Fonte:: Adaptado https://www.mtibrasil.com.br/guia-do-cilindro-pneumatico.php, 
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• Cilindro pneumático com curso ajustável.
Cilindro pneumático que pode ter o curso modificado com o ajuste de um parafuso, por exemplo.
Mais opções de cilindros pneumáticos
Fonte:: Adaptado https://www.mtibrasil.com.br/guia-do-cilindro-pneumatico.php, 
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. • Atuadores Lineares Tandem.
São compostos por dois cilindros de ação dupla, os quais formam uma só unidade. Desta forma, 
com simultânea pressão nos dois êmbolos, a força é uma soma das forças dos dois cilindros. 
Esta unidade é usada para obtenção de grandes forças em locais onde não se dispõe de espaço 
para utilização de cilindros de maior tamanho.
Mais opções de cilindros pneumáticos
Fonte:: Adaptado https://www.mtibrasil.com.br/guia-do-cilindro-pneumatico.php, 
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Como especificar ou selecionar um cilindro pneumático já existente:
Fonte:: Adaptado https://www.mtibrasil.com.br/guia-do-cilindro-pneumatico.php, 
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Determinação das forças nos atuadores lineares:
𝐴𝑐 = 𝜋
𝐷𝑝2 − 𝑑ℎ²
4
𝐹𝑎 = 𝑃𝑡. 𝐴𝑐
em que: 
• Dp: diâmetro (interno) do pistão. 
• dh: diâmetro da haste;
• Pt - pressão de trabalho, [N/mm²];
• Ac - área da coroa do embolo, [mm²];
eq (01)
eq (02)
Fonte:: Adaptado Automatismos Pneumáticos - Princípios Básicos, Dimensionamentos de Componentes e Aplicações Práticas., 
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Determinação das forças nos atuadores lineares:
• A força de avanço (Fa) de um atuador linear pneumático comum, desconsiderando as perdas
por atrito estático e dinâmico, é normalmente dada pela Equação:
𝐹𝑎 = 𝑃𝑡 𝜋
𝐷𝑝2
4
eq. (03)
eq.(04)𝐹𝑟 = 𝑃𝑡 𝜋
𝐷𝑝2 − 𝑑ℎ²
4
Fonte:: Adaptado Automatismos Pneumáticos - Princípios Básicos, Dimensionamentos de Componentes e Aplicações Práticas., 
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Como especificar Atuadores pneumáticos lineares comerciais:
• No principio do movimento, além da força necessária à aplicação desejada, há a força de atrito
estático e durante o movimento há a força de atrito cinético, que agem não apenas
externamente, mas também internamente no atuador.
Fonte: Automatismos Pneumáticos - Princípios Básicos, Dimensionamentos de Componentes e Aplicações Práticas - Eng. Arivelto B. Fialho - 1a Edição
Tabela 1 – Fatores de correção de força
Fonte:: Adaptado Automatismos Pneumáticos - Princípios Básicos, Dimensionamentos de Componentes e Aplicações Práticas., 
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Como especificar Atuadores pneumáticos lineares comerciais:
Diâmetro de projeto e diâmetro comercial
• O diâmetro do atuador é determinado em função da força de avanço Fa, que é a força de
projeto Fp corrigida pelo fator φ, Tabela 1, e da pressão de trabalho Pt.
• Esse diâmetro refere-se ao diâmetro interno do cilindro que é obtido da equação da área do
pistão, para o caso de força aplicada durante a fase de avanço, Equação 03. Se, no entanto, a
força for aplicada durante a fase de retorno do atuador, a variável Ap na equação deve ser
mudada pela variável Ac (área da coroa).
Fonte:: Adaptado Automatismos Pneumáticos - Princípios Básicos, Dimensionamentos de Componentes e Aplicações Práticas., 
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Como especificar Atuadores pneumáticos lineares comerciais:
𝐹𝑎 = 𝑃𝑡 𝜋
𝐷𝑝2
4
𝑃𝑡 =
𝐹𝑎 (𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑣𝑎𝑛ç𝑜)
𝐴𝑝 (á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑜 𝑝𝑖𝑠𝑡ã𝑜)
Lembrando
𝐷𝑝2 =
4. 𝐹𝑎
𝑃𝑡. 𝜋
𝐷𝑝 = 2.
𝐹𝑎
𝑃𝑡. 𝜋 𝐹𝑎 = 𝐹𝑝. 𝜑Lembrando
𝐷𝑝 = 2.
𝐹𝑝. 𝜑
𝑃𝑡. 𝜋
Temos:
Equação para cálculo da mínima dimensão de diâmetro a
ser utilizada.
• Dp - Mínimo diâmetro aceitável do pistão [cm]; 
• Fp - Força de projeto, força necessária para 
execução da operação [kp]; 
• φ - Fator de correção da força de projeto, Tabela 1; 
• Pt - Pressão de trabalho [kp/cm2].
Fonte:: Adaptado Automatismos Pneumáticos - Princípios Básicos, Dimensionamentos de Componentes e Aplicações Práticas., 
eq.(05)
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Como especificar Atuadores pneumáticos lineares comerciais:
• Calculado o diâmetro do pistão econhecidas as demais necessidades quanto ao tipo de fixação,
curso e outros, pode-se acessar os catálogos dos fabricantes e procurar um atuador pneumático
que tenha diâmetro no mínimo igual ou ligeiramente superior ao calculado, caso não exista um
comercial de diâmetro igual ao calculado.
Diâmetro comercial ≥ Diâmetro calculado
Fonte:: Adaptado Automatismos Pneumáticos - Princípios Básicos, Dimensionamentos de Componentes e Aplicações Práticas., 
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Verificação e Dimensionamento do Diâmetro da Haste pelo Critério de Euler.
• Em operações em que ocorre a alternância da carga, com variações para valores maiores
durante o deslocamento da haste do atuador e que ela tenha L ≥ 500 mm, além do tipo de
montagem adotado, é conveniente verificar a possibilidade de flambagem da haste.
• A verificação do seu diâmetro mínimo necessário, é para verificar se o diâmetro oferecido pelo
fabricante satisfaz a necessidade de projeto com segurança para a própria vida útil do
equipamento.
• O Critério de Euler analisa a relação entre o comprimento L da haste e o tipo de fixação,
fornecendo um coeficiente λ, conhecido como comprimento livre de flambagem.
Fonte:: Adaptado Automatismos Pneumáticos - Princípios Básicos, Dimensionamentos de Componentes e Aplicações Práticas., 
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Verificação e Dimensionamento do Diâmetro da Haste pelo Critério de Euler.
• Carga de flambagem de acordo com Euler:
𝐾 =
𝜋2. 𝐸. 𝐽
𝜆²
Sendo:
𝐽 =
𝑑ℎ4. 𝜋
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• Com esta carga ocorre a flambagem da haste e, portanto, a maior força de avanço admitida
será quando Fa estiver na iminência de atingir o valor de K.
𝐾 = 𝐹𝑎
Fonte:: Adaptado Automatismos Pneumáticos - Princípios Básicos, Dimensionamentos de Componentes e Aplicações Práticas., 
eq.(06)
eq.(07)
eq.(08)
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Verificação e Dimensionamento do Diâmetro da Haste pelo Critério de Euler.
• Para determinarmos o diâmetro da haste pelo critério de Euler, temos que igualar a força de
avanço Fa com a carga de flambagem K, e dividi-la por um coeficiente de segurança
denominado S.
𝐹𝑎 =
𝐾
𝑆
• Substituindo as equações temos:
𝑑ℎ =
4 64. 𝑆. 𝜆2. 𝐹𝑎
𝜋3. 𝐸
Em que: 
• λ - Comprimento livre de flambagem [cm], 
• E - Módulo de elasticidade do aço (módulo de Young) = 2,1 x 107 
N/cm²; 
• J - Momento de inércia para seção circular da haste [cm4]; 
• K - Carga de flambagem [N]; 
• Fa - Força de avanço [N]; 
• S - Coeficiente de segurança (3,5 - 5).
Fonte:: Adaptado Automatismos Pneumáticos - Princípios Básicos, Dimensionamentos de Componentes e Aplicações Práticas., 
eq.(09)
eq.(10)
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Exemplo de carga de Euler.
Fonte:: Adaptado Automatismos Pneumáticos - Princípios Básicos, Dimensionamentos de Componentes e Aplicações Práticas., 
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Cálculo do Consumo de Ar Necessário.
• O consumo de ar comprimido de dada instalação pneumática pode ser avaliado em função do
consumo individual de cada atuador da instalação.
𝐶 =
𝐴𝑝. 𝐿. 𝑛𝑐 . 𝑃𝑡 + 1,013
1,013. 106
𝑜𝑢
𝑄 =
𝐴𝑝. 𝐿. (𝑃𝑡 + 1,013)
𝑇. 1,013. 106
Em que: 
• C = consumo de ar [l/seg]; 
• Ap = área efetiva do pistão [mm²]; 
• L = curso [mm]; 
• nc = número de ciclos por segundo; 
• Pt = pressão de trabalho [bar]; 
• Q = fluxo de ar [l/seg]; 
• T = tempo para um único ciclo em segundos [s].
Obs.: Deve-se lembrar que o consumo de ar de acordo com estas formulas e calculado em pressão absoluta,
ou seja, 1,013 bar (pressão atmosférica) + pressão relativa de trabalho. Os valores encontrados devem então
ser convertidos para Ncm³ (normais centímetros cúbicos) ou divididos por 1000 para a conversão a Nl
(normais litros), ou seja, o volume de ar em condições normais de pressão e temperatura.
Fonte:: Adaptado Automatismos Pneumáticos - Princípios Básicos, Dimensionamentos de Componentes e Aplicações Práticas., 
eq.(11)
eq.(12)
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Exemplo 1.
A Figura abaixo representa a mesa de um dispositivo, que é movimentada por deslizamento sobre
prismas lubrificados, perfazendo um deslocamento total de 100 cm. Dimensionar comercialmente o
atuador pneumático considerando a situação de montagem de acordo com o caso 2, da tabela de
carga de Euler. Analisar pelo Critério de Euler qual o diâmetro mínimo necessário para a haste.
Obs.: Considere a força peso da mesa como 150 kp e a pressão de trabalho com 6 kp/cm².
Fonte:: Adaptado Automatismos Pneumáticos - Princípios Básicos, Dimensionamentos de Componentes e Aplicações Práticas., 
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Resolução:
Determinação do diâmetro do pistão:
𝐷𝑝 = 2.
𝐹𝑝. 𝜑
𝑃𝑡. 𝜋
𝐷𝑝 = 2.
150.1,5
𝜋. 6
= 6,9𝑐𝑚 = 69𝑚𝑚
Verificação da haste pelo Critério de Euler:
• λ = L = 100 cm. ( caso 2 tabela cargas de Euler);
• E = 2,1 x 107 N/cm²; 
• Fa = Fp.φ;
• S = 5.
𝑑ℎ =
4 64 ∗ 5 ∗ 100𝑐𝑚 2 ∗ 2207,25𝑁
𝜋3 ∗ 2. 107𝑁/𝑐𝑚²
= 1,84𝑐𝑚 = 18,4𝑚𝑚
Pela tabela do fabricante Parker o diâmetro
comercial de um atuador ISO mais próximo
superior é de 80 mm com uma haste de 25 mm.
Fonte:: Adaptado Automatismos Pneumáticos - Princípios Básicos, Dimensionamentos de Componentes e Aplicações Práticas., 
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Resolução:
Determinação do diâmetro do pistão:
Fonte: Parker Hannifin Ind. Com. Ltda.
Fonte:: Adaptado Automatismos Pneumáticos - Princípios Básicos, Dimensionamentos de Componentes e Aplicações Práticas., 
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Resolução:
Determinação do consumo de ar necessário:
Calcular o consumo e o fluxo de ar do sistema, considerando T = 8 s, nc = 1/8 ciclos/s.
𝐶 =
𝜋
80𝑚𝑚
4
2
. 1000𝑚𝑚 .
1
8 .
𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠
𝑠 . (6𝑏𝑎𝑟 + 1,013)
1,013. 106
= 4,35𝑙/𝑠
𝑜𝑢
𝑄 =
𝜋
80𝑚𝑚
4
2
. 1000𝑚𝑚 . (6𝑏𝑎𝑟 + 1,013)
8𝑠 . 1,013. 106
= 4,35𝑙/𝑠
Fonte:: Adaptado Automatismos Pneumáticos - Princípios Básicos, Dimensionamentos de Componentes e Aplicações Práticas.,