El espacio inercial es un marco de referencia contra el cual se mide la aceleración o el cambio de movimiento. Dentro de un marco de referencia inercial, los objetos experimentan un movimiento relativo constante y parecen estar en reposo en referencia unos a otros; esto define la inercia del espacio y sirve como fondo contra el cual se mide el cambio de movimiento de un objeto. Los resultados de las mediciones realizadas en un marco inercial se pueden convertir en otro mediante un sencillo cálculo matemático.
Una propiedad de un marco inercial es que el comportamiento de sus objetos no está sujeto a fuerzas externas a ese marco de referencia. En la física newtoniana, las estrellas fijas se consideraban un marco de referencia inercial; ahora se sabe que las estrellas no son fijas, sino que tienen sus propios movimientos relativos en las galaxias, al igual que las galaxias en estructuras de grupos más grandes. Usar las estrellas como si su movimiento relativo definiera un espacio inercial introduce pocos errores.
Un giroscopio giratorio libre de aceleración rotacional mantendrá su orientación al espacio inercial; si gira a una velocidad constante, seguirá apuntando en la misma dirección con respecto a las estrellas fijas. Los cambios en el movimiento en relación con la orientación del giroscopio se pueden medir y los datos se pueden utilizar para calcular la velocidad y la posición. Esta es la base de un sistema de navegación inercial (INS), que determina la velocidad y la ubicación de un vehículo únicamente a partir de la referencia a una posición en el espacio inercial.
Un INS generalmente consta de sensores de movimiento, como giroscopios y acelerómetros, y una computadora. El sistema recibe su velocidad y ubicación iniciales, luego calcula la posición y velocidad futuras en tiempo real a partir de los datos del sensor. Los cambios en la aceleración lineal y angular se miden en referencia a la alineación del giroscopio con el espacio inercial. Más allá de sus condiciones iniciales, un INS es completamente autónomo y no está sujeto a interferencias u otras interferencias.
El error acumulado de la medición y el cálculo tiende a hacer que un INS sea menos preciso durante un período de tiempo prolongado. Esta deficiencia ha sido compensada en cierta medida por dispositivos más sofisticados como el giroscopio de fibra óptica, que se basa en el efecto Sagnac. En este tipo de dispositivo, los láseres que giran en sentido contrario producen un patrón de interferencia a partir del cual se pueden calcular los cambios en la velocidad angular con respecto a una posición en el espacio inercial.
En los barcos, se utiliza una brújula giratoria para señalar el Polo Norte geográfico. El dispositivo utiliza las propiedades de un giroscopio para mantener una orientación fija al espacio inercial y un péndulo para alinearlo con el eje de rotación de la Tierra. Siempre que el rotor del giroscopio sea paralelo al eje de la Tierra, no hay par o resistencia angular de la rotación de la Tierra. La desalineación se autocorrige por las fuerzas debidas a la rotación planetaria.