L’espace inertiel est un cadre de référence par rapport auquel l’accélération, ou le changement de mouvement, est mesuré. Dans un référentiel inertiel, les objets subissent un mouvement relatif constant et semblent être au repos les uns par rapport aux autres ; cela définit l’inertie de l’espace et sert de fond sur lequel le changement de mouvement d’un objet est mesuré. Les résultats des mesures effectuées dans un référentiel inertiel peuvent être convertis en un autre par un simple calcul mathématique.
Une propriété d’un référentiel inertiel est que le comportement de ses objets n’est pas soumis à des forces extérieures à ce référentiel. En physique newtonienne, les étoiles fixes étaient considérées comme un référentiel inertiel ; on sait maintenant que les étoiles ne sont pas fixes mais ont leurs propres mouvements relatifs dans les galaxies, tout comme les galaxies dans les structures de groupe plus grandes. Utiliser les étoiles comme si leur mouvement relatif définissait un espace inertiel introduit peu d’erreur.
Un gyroscope en rotation libre d’accélération de rotation conservera son orientation vers l’espace inertiel ; s’il tourne à vitesse constante, il continuera à pointer dans la même direction par rapport aux étoiles fixes. Les changements de mouvement par rapport à l’orientation du gyroscope peuvent être mesurés et les données utilisées pour calculer la vitesse et la position. C’est la base d’un système de navigation inertielle (INS), qui détermine la vitesse et l’emplacement d’un véhicule uniquement à partir d’une référence à une position dans l’espace inertiel.
Un INS se compose généralement de capteurs de mouvement, tels que des gyroscopes et des accéléromètres, et d’un ordinateur. Le système reçoit sa vitesse et son emplacement initiaux, puis calcule la position et la vitesse futures en temps réel à partir des données du capteur. Les changements d’accélération linéaire et angulaire sont mesurés en référence à l’alignement du gyroscope par rapport à l’espace inertiel. Au-delà de ses conditions initiales, un INS est complètement autonome et n’est pas sujet au brouillage ou à d’autres interférences.
L’erreur accumulée de mesure et de calcul a tendance à rendre un INS moins précis sur une période de temps prolongée. Cette déficience a été quelque peu compensée par des appareils plus sophistiqués comme le gyroscope à fibre optique, qui repose sur l’effet Sagnac. Dans ce type de dispositif, les lasers contrarotatifs produisent une figure d’interférence à partir de laquelle des changements de vitesse angulaire par rapport à une position dans l’espace inertiel peuvent être calculés.
Sur les navires, un gyrocompas est utilisé pour pointer vers le pôle Nord géographique. L’appareil utilise les propriétés d’un gyroscope pour maintenir une orientation fixe vers l’espace inertiel et un pendule pour l’aligner avec l’axe de rotation de la Terre. Tant que le rotor du gyroscope est parallèle à l’axe de la Terre, il n’y a pas de couple ou de résistance angulaire provenant de la rotation de la Terre. Le désalignement se corrige automatiquement à cause des forces dues à la rotation planétaire.