Une définition, plus abstraite, mais équivalente, est celle d'un référentiel par rapport auquel le temps est uniforme, l'espace homogène et isotropeR 1. Il s'agit en pratique d'une idéalisation, la recherche d'un référentiel inertiel étant un sujet délicat, et sa détermination concrète toujours approximative.
Tout référentiel en mouvement de translation rectiligne et uniforme par rapport à un référentiel galiléen est lui-même galiléen : il existe donc une infinité de référentiels galiléens, les formules de passage de l'un à l'autre se faisant par transformation de Galilée, qui laisse inchangée la forme des lois du mouvement de Newton. En mécanique relativiste, le passage d'un référentiel galiléen à l'autre fait intervenir la transformation de Lorentz, qui se ramène à celle de Galilée pour des vitesses faibles devant celle de la lumière dans le vide.
Les lois de la mécanique sont invariantes par changement de référentiel galiléen : ce postulat constitue le principe de la relativité galiléenne, qui toutefois n'est pas valable pour l'électrodynamique classique. En effet, les formules de passage d'un référentiel galiléen à un autre prévoient une dépendance de la vitesse de la lumière dans le vide c selon le référentiel par composition des vitesses, ce qui n'est pas observé. La prise en compte de cette invariance de c par changement de référentiel galiléen est à la base de la théorie de la relativité restreinteR 2.
Dans un référentiel non inertiel, qui est animé d’un mouvement accéléré par rapport à un référentiel galiléen, il faut faire intervenir les forces d’inertie. Ces forces se distinguent de celles prises en compte dans un référentiel galiléen, car elles ne sont pas associées à une interaction entre le corps dont on étudie le mouvement et un autre corps.
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