Lo spazio inerziale è un sistema di riferimento rispetto al quale viene misurata l’accelerazione o la variazione del movimento. All’interno di un sistema di riferimento inerziale, gli oggetti sperimentano un movimento relativo costante e sembrano in quiete in riferimento l’uno all’altro; questo definisce l’inerzia dello spazio e funge da sfondo rispetto al quale viene misurato il cambiamento di movimento di un oggetto. I risultati delle misurazioni effettuate in un frame inerziale possono essere convertiti in un altro mediante un semplice calcolo matematico.
Una proprietà di un sistema inerziale è che il comportamento dei suoi oggetti non è soggetto a forze esterne a quel sistema di riferimento. Nella fisica newtoniana, le stelle fisse erano considerate un sistema di riferimento inerziale; è ormai noto che le stelle non sono fisse ma hanno i propri moti relativi nelle galassie, così come le galassie nelle strutture di gruppo più grandi. Usare le stelle come se il loro moto relativo definisse uno spazio inerziale introduce pochi errori.
Un giroscopio rotante privo di accelerazione rotazionale manterrà il suo orientamento nello spazio inerziale; se ruota a velocità costante, continuerà a puntare nella stessa direzione rispetto alle stelle fisse. È possibile misurare le variazioni di movimento relative all’orientamento del giroscopio e utilizzare i dati per calcolare la velocità e la posizione. Questa è la base per un sistema di navigazione inerziale (INS), che determina la velocità e la posizione di un veicolo esclusivamente dal riferimento a una posizione nello spazio inerziale.
Un INS è tipicamente costituito da sensori di movimento, come giroscopi e accelerometri, e un computer. Al sistema vengono fornite la velocità e la posizione iniziali, quindi calcola la posizione e la velocità future in tempo reale dai dati del sensore. Le variazioni di accelerazione lineare e angolare sono misurate in riferimento all’allineamento del giroscopio allo spazio inerziale. Al di là delle sue condizioni iniziali, un INS è completamente autonomo e non è soggetto a jamming o altre interferenze.
L’errore accumulato dalla misurazione e dal calcolo tende a rendere un INS meno accurato per un periodo di tempo prolungato. Questa carenza è stata in qualche modo compensata da dispositivi più sofisticati come il giroscopio a fibra ottica, che si basa sull’effetto Sagnac. In questo tipo di dispositivo, i laser controrotanti producono uno schema di interferenza da cui possono essere calcolate le variazioni di velocità angolare rispetto a una posizione nello spazio inerziale.
Sulle navi, viene utilizzata una bussola giroscopica per indicare il Polo Nord geografico. Il dispositivo utilizza le proprietà di un giroscopio per mantenere un orientamento fisso rispetto allo spazio inerziale e un pendolo per allinearlo con l’asse di rotazione terrestre. Finché il rotore del giroscopio è parallelo all’asse terrestre, non c’è coppia, o resistenza angolare, dalla rotazione terrestre. Il disallineamento si autocorregge dalle forze dovute alla rotazione planetaria.