Ein Bezugssystem ist in der Physik ein gedachtes raum-zeitliches Gebilde, das erforderlich ist, um das Verhalten ortsabhängiger Größen eindeutig und vollständig zu beschreiben.

Insbesondere kann die Lage und Bewegung von physikalischen Körpern nur relativ zu einem Bezugssystem angegeben werden.Arnold Sommerfeld: Vorlesungen über theoretische Physik, Band 1: Mechanik. Leipzig 1943, Harri Deutsch 1994, ISBN 978-3-87144-374-9. Auf Seite 9 schreibt Sommerfeld: „Welche Forderungen haben wir an das ideale Bezugssystem der Mechanik zu stellen? Und zwar verstehen wir darunter ein raum-zeitliches Gebilde, nach dem wir die Lage der Massenpunkte und den Ablauf der Zeit bestimmen können, also etwa ein rechtwinkliges Koordinatensystem x,y,z und eine Zeitskala.“ Ein Bezugssystem wird definiert, indem man einen Bezugspunkt wählt und die Raumrichtungen festlegt, sowie einen physikalischen Prozess für die Zeitmessung bestimmt. Dadurch ist zunächst festgelegt, was unter „Ruhe“ und „Bewegung“ jeweils zu verstehen ist. Zudem ermöglicht dies, ein Koordinatensystem einzuführen, mit dessen Hilfe physikalische Ereignisse durch Angabe ihrer raum-zeitlichen Koordinaten mathematisch beschrieben werden können. Wenn Beobachter von verschiedenen Bezugssystemen ausgehen, können sie zu einem physikalischen Vorgang verschiedene Beschreibungen geben, die dennoch alle zutreffen, wenn man ihr jeweiliges Bezugssystem berücksichtigt. Zum Beispiel könnte ein Autofahrer zu Recht behaupten, dass ihm ein Baum entgegenkommt, während ein am Straßenrand neben dem Baum stehender Beobachter, ebenfalls zu Recht, den Vorgang umgekehrt sieht: Ihm, und damit dem Baum, kommt das Auto entgegen. In der Physik gilt, dass jedes so definierte Bezugssystem gleichberechtigt gewählt werden darf und dass es keinen grundlegenden Prozess gibt, durch den man ein bestimmtes Bezugssystem vor allen anderen auszeichnen könnte.

Bezugssysteme in der klassischen Physik und in der Relativitätstheorie In der klassischen Physik stimmen verschiedene Bezugssysteme in den Abständen je zweier Punkte, in den Winkeln zwischen je zwei Geraden und in der Zeitdifferenz je zweier Ereignisse überein. Daher kann die Zeitkoordinate für alle Bezugssysteme einheitlich gewählt werden, und für die Geschwindigkeiten gilt die vektorielle Addition. Das bedeutet, dass die Geschwindigkeit , die ein Vorgang in einem bewegten Bezugssystem K' hat, vektoriell zu der Geschwindigkeit addiert wird, mit der sich K' in einem Bezugssystem K bewegt, um die Geschwindigkeit desselben Vorgangs in K zu erhalten:

: Klassisches Additionstheorem der Geschwindigkeiten. Dagegen stimmt in der Realität die Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen überein, was mit dem klassischen Additionstheorem nicht in Einklang zu bringen ist. Die in der Relativitätstheorie gefundene Lösung geht davon aus, dass Abstände, Winkel und Zeitintervalle in verschiedenen Bezugssystemen unterschiedlich sein können. Eine Folge ist das relativistische Additionstheorem für Geschwindigkeiten, nach dem die vektorielle Addition nur für kleine Geschwindigkeiten (verglichen mit der Lichtgeschwindigkeit) eine gute Näherung darstellt. Die Abweichungen, die bei großen Geschwindigkeiten merklich auftreten, sind durch Messungen bestätigt.

Bezugspunkte und Koordinatensysteme mini|class=skin-invert-image|Skizze eines Bezugssystems Als Bezugspunkt wird häufig ein Punkt eines realen Körpers gewählt, z. B. „die linke, vordere Ecke des Tisches“, „die Mitte des Bahnsteigs“ oder „das Zentrum der Sonne“. Es kann sich aber auch um einen gedachten Punkt handeln, z. B. „der gemeinsame Schwerpunkt von Erde und Mond“ oder „ein frei fallendes Bezugssystem“.

Um die drei Raumrichtungen festlegen zu können, bedarf es noch mindestens zweier weiterer Punkte: Durch diese drei Punkte wird eine Ebene aufgespannt. Die dritte Dimension erhält man dann z. B. als Normale auf dieser Ebene. Damit hat man alle Voraussetzungen für die Definition eines Koordinatensystems, das zur Angabe von Raumpunkten verwendet werden kann. Deshalb wird der Begriff Bezugssystem in der Literatur auch gelegentlich synonym zum Begriff Koordinatensystem verwendet. Meist werden die Begriffe jedoch unterschieden, weil ein und dasselbe Bezugssystem (z. B. das der Erde) durch verschiedene Koordinatensysteme (z. B. kartesische Koordinaten und Polarkoordinaten) beschrieben werden kann. Dabei lassen sich durch eine Koordinatentransformation die Raum- und Zeitkoordinaten eines beliebigen Vorgangs von einem Koordinatensystem in das andere umrechnen. Physikalische Formeln, die im selben Bezugssystem denselben Vorgang beschreiben, können daher bei Benutzung verschiedener Koordinatensysteme trotzdem ganz verschiedene Gestalt annehmen.

Häufig gewählte Bezugssysteme

Ruhesystem

Ein Bezugssystem, in dem der betrachtete Körper ruht, nennt man sein Ruhesystem. Er besitzt in diesem Bezugssystem keine kinetische Energie, weder durch Translation noch durch Rotation, und befindet sich im Kräftegleichgewicht.

Laborsystem

Das Ruhesystem des Beobachters und der Apparatur des betrachteten Experiments heißt Laborsystem. Es ist meist das nächstliegende Bezugssystem zur Beschreibung eines Experiments, aber nicht immer das am besten geeignete. Das Laborsystem ist – sofern es sich auf der Erde befindet – nur angenähert ein Inertialsystem.

Absolut- und Relativsystem

Unter anderem in der Strömungslehre werden zwei unterschiedliche Bezugssysteme unterschieden: Das Bezugssystem, in dem das äußere Gehäuse eines betrachteten Gegenstands ruht, zum Beispiel die Verkleidung einer Turbine, wird als „Absolutsystem“ definiert. Ein Bezugssystem, welches sich relativ zu diesem bewegt, zum Beispiel ein Bezugssystem, das sich mit den Turbinenschaufeln mitbewegt, wird daher als „Relativsystem“ bezeichnet.

Schwerpunktsystem

Im Schwerpunktsystem eines aus mehreren Körpern bestehenden physikalischen Systems „ruht“ deren gemeinsamer Schwerpunkt im Ursprung des Bezugssystems. Für manche physikalischen Prozesse, z. B. den elastischen Stoß, erlaubt das Schwerpunktsystem eine besonders einfache Beschreibung, weil die Impulse der beiden beteiligten Körper hier per Definition entgegengesetzt gleich sind. Auch bei mehreren beteiligten Körpern, wie sie z. B. häufig bei Kernreaktionen auftreten, ist das Schwerpunktsystem sinnvoll: Hier ist die Vektorsumme aller Impulse zu betrachten. Sie ist konstant gleich Null (siehe Schwerpunktsatz).

Inertialsystem

Ein Bezugssystem, in dem kräftefreie Teilchen ruhen oder mit konstanter Geschwindigkeit gerade Bahnen durchlaufen, heißt Inertialsystem. Dies besagt der Trägheitssatz. Die Ortskoordinaten dieser Bahnen sind linear inhomogene Funktionen der Zeit

Darin ist der Ort des Teilchens zur Zeit , und seine Geschwindigkeit. Solche Bezugssysteme sind bis auf die Wahl des Orts- und Zeitursprungs, die Wahl von drei Richtungen („oben, vorn, rechts“) und die Wahl einer konstanten Geschwindigkeit des ganzen Bezugssystems (gegenüber einem anderen Inertialsystem) festgelegt. Das bedeutet: Jedes Bezugssystem, das relativ zu einem Inertialsystem ruht oder sich mit konstanter Geschwindigkeit gegenüber ihm bewegt, ist ebenfalls ein Inertialsystem. Die zurzeit (2017) beste bekannte Annäherung an ein Inertialsystem ist der in der Astronomie definierte Inertialraum.

Beschleunigtes Bezugssystem

Ein Bezugssystem, das kein Inertialsystem ist, heißt beschleunigtes Bezugssystem. In Bezug zu einem solchen System zeigen die Körper Bewegungen, die mit den aus dem Inertialsystem bekannten Kräften nicht immer erklärbar sind.

Zur Erläuterung des Unterschiedes soll folgendes Beispiel dienen:

Im Bahnhof fährt ein Zug an, darin ein Mann mit Kinderwagen ohne angezogene Bremse. Das Bezugssystem, in dem der Bahnsteig ruht, ist (in sehr guter Näherung) ein Inertialsystem. Das Bezugssystem des anfahrenden Zuges ist jedoch ein beschleunigtes Bezugssystem. Der Kinderwagen erfährt durch das Anfahren keine Kraft längs der Fahrtrichtung und verharrt im Bezugssystem „Bahnsteig“ deshalb in Ruhe. Daher rollt er relativ zum anfahrenden Zug beschleunigt nach hinten. Um den Kinderwagen relativ zum Zug in Ruhe zu halten, muss der Mann auf den Kinderwagen eine Kraft ausüben, die diesen synchron mit dem Zug beschleunigt. Dieser beschleunigenden Kraft setzt der Kinderwagen seinen gleich großen Trägheitswiderstand entgegen, der sich bei dem Mann wie eine reale Kraft auswirkt.

In einem beschleunigten Bezugssystem bewegen sich Körper, auf die vom Standpunkt des Inertialsystems aus keine Kräfte wirken, mit einer Beschleunigung beschleunigt bzw. auf gekrümmten Bahnen. Es scheint auf den Körper eine Kraft einzuwirken, die nach der Grundgleichung der Mechanik

diese Beschleunigung verursacht. So schließt der Beobachter im beschleunigten Bezugssystem auf eine Kraft, die es im Inertialsystem gar nicht gibt. Solche Kräfte werden Scheinkräfte oder Trägheitskräfte genannt. Für den Beobachter im beschleunigten Bezugssystem sind sie aber, obwohl sich keine andere Ursache für sie finden lässt als seine Wahl des Bezugssystems, genauso real wie alle anderen Kräfte. So verharrt ein Körper im beschleunigten System nur dann in Ruhe, wenn es eine zu der Trägheitskraft entgegengesetzte Kraft gibt, die den Körper relativ zum beschleunigten Bezugssystem im Ruhezustand hält. Abgesehen von der im beschleunigten Bezugssystem beobachteten Beschleunigung rühren alle weiteren Folgen, die üblicherweise der Trägheitskraft zugeschrieben werden, genau genommen von den Kräften her, mit denen diese Beschleunigung beeinflusst (z. B. verhindert) wird.

Rotierendes Bezugssystem

Ein rotierendes Bezugssystem ist der Spezialfall, dass ein beschleunigtes Bezugssystem keine Translation ausführt, sondern nur eine Drehbewegung um den Ursprung. Obwohl an dieser Situation nichts beschleunigt erscheint (sofern Drehachse und Winkelgeschwindigkeit gleich bleiben), wird das rotierende Bezugssystem zu den beschleunigten Bezugssystemen gezählt. Im rotierenden Bezugssystem erfahren Körper, die sich nicht auf der Drehachse befinden, eine nach außen gerichtete Zentrifugalkraft, und sie verharren nur dann in Ruhe, wenn gleichzeitig eine nach innen gerichtete Zentripetalkraft auf sie einwirkt. Betrachtet man dieselbe Situation von einem Inertialsystem aus, so führt derselbe Körper eine Kreisbahn um die Drehachse aus, und die Zentripetalkraft bewirkt gerade diejenige nach innen gerichtete Beschleunigung, die ihn auf seiner Kreisbahn hält (siehe etwa Kettenkarussell).

Während die Zentrifugalkraft in einem rotierenden Bezugssystem auf jeden Körper wirkt, wirkt eine zweite Trägheitskraft, die Corioliskraft, nur auf solche Körper, die sich relativ zum rotierenden System bewegen. Solange man z. B. auf einer rotierenden Scheibe nur steht, spürt man auch nur die Zentrifugalkraft. Versucht man nun, auf der Scheibe zu gehen, tritt die Corioliskraft hinzu. Sie ist immer zur Bewegungsrichtung seitwärts gerichtet und lässt einen eine Kurve beschreiben. Versucht man z. B., geradeaus auf die Drehachse zu (oder von ihr weg) zu gehen, wird man in Drehrichtung (bzw. ihr entgegen) abgelenkt. Läuft man dagegen in konstantem Abstand um die Drehachse der Scheibe herum, ist die Corioliskraft radial gerichtet, also parallel oder antiparallel zur Zentrifugalkraft. Wenn man dann gegen die Drehrichtung gerade so schnell läuft, dass man von außen betrachtet an derselben Stelle bleibt, dann ist man im Inertialsystem in Ruhe, also frei von Krafteinwirkung. Im Bezugssystem der Scheibe beschreibt man aber eine Kreisbewegung um die Drehachse, die in diesem Bezugssystem ihrerseits eine nach innen gerichtete Relativbeschleunigung erfordert. Diese wird von der Corioliskraft erzeugt, die in diesem Fall nach innen gerichtet ist und im rotierenden Bezugssystem nicht nur die allgegenwärtige Zentrifugalkraft neutralisiert, sondern darüber hinaus die für die Kraft sorgt, die für die Relativbeschleunigung zur Drehachse hin benötigt wird.