un canal cerrado de forma especial diseñado para acelerar líquidos o gases hasta una velocidad determinada y para impartir una dirección determinada al flujo. Las boquillas también se utilizan como medio para obtener chorros de gas o líquido. La sección transversal de la tobera puede ser rectangular (tobera bidimensional), circular (tobera axisimétrica), o alguna otra forma (tobera espacial).
Dentro de una tobera, la velocidad v del líquido o del gas aumenta continuamente en la dirección del flujo desde un valor inicial v0 a la entrada hasta una velocidad máxima v = va a la salida. En virtud del principio de conservación de la energía, a medida que la velocidad v aumenta en una tobera, se produce simultáneamente un descenso continuo de la presión y la temperatura desde los valores iniciales p0 y T0 hasta los valores mínimos pa y Ta en la zona de descarga. Así, para que se produzca el flujo en una tobera es necesario que se produzca una cierta caída de presión, es decir, que se cumpla la condición p0 > pa. Cuando se aumenta T0, la velocidad en todas las secciones de una tobera aumenta debido a la mayor energía potencial inicial. Mientras la velocidad del flujo no sea demasiado alta, los correspondientes cambios de presión y temperatura en la tobera son pequeños; por lo tanto, la propiedad de la compresibilidad -la capacidad de un líquido o un gas de sufrir un cambio de volumen en respuesta a la aplicación de presión o a un cambio de temperatura- no se manifiesta, y es posible prescindir de cualquier variación de la densidad p del medio fluyente, es decir, considerar la densidad constante. En estas condiciones, una tobera debe tener una forma convergente si se desea un aumento continuo de la velocidad, ya que en virtud de la ecuación de continuidad ρvF = const, el área F de la sección transversal de la tobera debe disminuir en proporción inversa al aumento de la velocidad. Sin embargo, con un aumento adicional de v, la compresibilidad del medio comienza a manifestarse y la densidad disminuye en la dirección del flujo. En consecuencia, la constancia del producto de los tres factores pvF en estas nuevas condiciones depende de la velocidad a la que p disminuye al aumentar v. Cuando v < a, donde a es la velocidad local de propagación del sonido en el medio en movimiento, el ritmo de disminución de la densidad de un gas va por detrás del ritmo de aumento de la velocidad y, por tanto, para proporcionar aceleración, es decir, para aumentar v, F debe disminuir (figura 1) a pesar de la disminución de la densidad (tobera subsónica). Pero con la aceleración a velocidades v > a, la densidad disminuye más rápidamente de lo que aumenta la velocidad; por tanto, en la parte supersónica se hace necesario aumentar el área F (tobera supersónica). Así, una tobera supersónica, que también se conoce como tobera de Laval, tiene una sección convergente y una parte divergente (figura 2). La variación de la velocidad a través de la tobera depende de la variación del área de la sección transversal F con la longitud.
La presión en la zona de descarga de una tobera subsónica es siempre igual a la presión pm del medio circundante a la salida (pa = pm). Las presiones son iguales porque cualquier desviación se manifiesta en forma de perturbaciones que se propagan en el interior de la tobera con una velocidad igual a la del sonido y provocan un reordenamiento del flujo que iguala la presión en la zona de descarga de la tobera. Cuando p0 aumenta y pm permanece constante, la velocidad va en la zona de descarga de una tobera subsónica primero aumenta, pero después de que p0 alcanza un cierto valor la velocidad se vuelve constante y no cambia cuando p0 sigue aumentando. Este fenómeno se denomina flujo de crisis en la tobera. Con el inicio del flujo de crisis, la velocidad media de la descarga de una tobera subsónica es igual a la velocidad local del sonido (va = a) y se denomina velocidad crítica de descarga. La tobera subsónica se convierte en una tobera sónica. Todos los parámetros del gas en la zona de descarga de la tobera en este caso también se describen como críticos. Para toberas subsónicas con un contorno suave, la relación de presión crítica al descargar aire y otros gases diatómicos es (P0/pm)cr ≈ 1,9.
En una tobera supersónica, la sección más estrecha se describe como crítica. La velocidad relativa va/a en la zona de descarga de una tobera supersónica depende únicamente de la relación entre el área de descarga Fa y el área de la sección crítica Fa y, dentro de amplios límites, es independiente de las variaciones de la presión p0 en el frente de la tobera. Por consiguiente, variando el área de la sección crítica Fcr con un dispositivo mecánico mientras el área Fa se mantiene invariable, es posible variar va/la. Las toberas ajustables utilizadas en la tecnología que varían la velocidad de descarga del gas se basan en este principio. La presión en la zona de descarga de una tobera supersónica puede ser igual a la presión del medio circundante (pa = pm), y un régimen de flujo de este tipo se llama flujo de diseño; cuando las presiones no son iguales, el régimen se llama flujo fuera de diseño. A diferencia de una tobera subsónica, las perturbaciones de presión cuando pa± pm, que se propagan con la velocidad del sonido, se encuentran en el flujo supersónico y no penetran en la tobera supersónica; la presión pa no se iguala con pm. Los regímenes fuera de diseño se caracterizan por la formación de ondas de rarefacción cuando pa > pm y de ondas de choque cuando pa < pm. Cuando el flujo pasa por un sistema de tales ondas fuera de la tobera, la presión se iguala a pm. Cuando la presión en la atmósfera supera en gran medida la presión en la zona de descarga de la tobera, las ondas de choque pueden pasar al interior de la tobera, y entonces se perturba el aumento continuo de la velocidad en la parte supersónica de la tobera. Una caída brusca de la presión y la temperatura de un gas en una tobera supersónica puede provocar, en función de la composición del medio fluyente, la aparición de procesos fisicoquímicos tales como reacciones químicas, transformaciones de fase y transiciones termodinámicas de no equilibrio. Estos procesos deben tenerse en cuenta a la hora de calcular el flujo de gas en la tobera.
Las toberas se utilizan ampliamente en la tecnología, por ejemplo, en las turbinas de vapor y de gas, los motores de cohetes, los motores de chorro de aire, los láseres de gas, los equipos utilizados en la dinámica de magnetogas, los túneles de viento, los bancos de pruebas utilizados en la dinámica de gases, los dispositivos de chorro y los caudalímetros. También se utilizan en la creación de haces moleculares, en ingeniería química y en varios tipos de procesos de voladura. La tobera debe estar diseñada para llevar a cabo la función técnica concreta. Por ejemplo, las toberas de los túneles de viento deben proporcionar un flujo de gas uniforme y paralelo en la zona de descarga, mientras que las toberas utilizadas en los motores de cohetes deben garantizar que el impulso del flujo de gas en la zona de descarga sea lo más alto posible para las dimensiones dadas. Estas y otras especificaciones técnicas han propiciado un fuerte desarrollo de la teoría de las toberas, que estudia la presencia en el flujo de gas de partículas líquidas y sólidas, así como procesos como las reacciones químicas en desequilibrio y la transferencia de energía radiante. Los ordenadores se han utilizado ampliamente en este trabajo tanto para determinar el diseño de las toberas como para desarrollar complejos métodos experimentales de investigación de las mismas.