一匹馬能產(chǎn)生的能量約為500瓦特，相當(dāng)于6個中等體格的人適度工作所產(chǎn)生的能量。第三種能量來源是對自然的駕馭，比如利用湍急的河流或強(qiáng)風(fēng)。水車早在羅馬時期就出現(xiàn)了。200年，在今法國境內(nèi)的阿爾勒附近，聚居著羅馬帝國統(tǒng)治下的高盧人。當(dāng)時，那里已有16架水車。這些水車為磨粉機(jī)提供動力，每天能磨28噸面粉。據(jù)《英國土地志》記載，英國在11世紀(jì)擁有5624架水車。在隨后的幾百年里，風(fēng)車在歐洲和世界各地逐漸普及。風(fēng)車比水車適應(yīng)性更強(qiáng)。人們發(fā)明了多種裝置調(diào)整風(fēng)車的方向，使風(fēng)車能自動轉(zhuǎn)向風(fēng)吹來的方向，從而大大增加了風(fēng)車的利用率。人們用水車和風(fēng)車提供的動力磨玉米，或者操控當(dāng)時簡易的機(jī)械設(shè)備把空氣吹進(jìn)高爐。但是利用水力或風(fēng)力的機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的能量非常有限，一架中世紀(jì)的水車只能產(chǎn)生1.5千瓦的能量，即使是中世紀(jì)最大的風(fēng)車所產(chǎn)生的能量也不過是7.5千瓦，而現(xiàn)在，一輛卡車所產(chǎn)生的能量是當(dāng)時最大風(fēng)車產(chǎn)生能量的35倍以上。

人們?nèi)匀鄙僖环N可靠、可控并能夠大規(guī)模使用的能源，這正體現(xiàn)了第四種能源（利用儲藏在化石燃料中的能量）的重要之處。1698年，位于英國西南部德文郡托特尼斯鎮(zhèn)的托馬斯·薩弗里發(fā)明了一項專利，這項專利描述了如何利用火的推動力推動一種液體（比如水）。薩弗里發(fā)明了世界上第一臺蒸汽機(jī)，這臺蒸汽機(jī)利用煤加熱鍋爐中的水產(chǎn)生的蒸汽提供動力。蒸汽進(jìn)入汽缸，在每個汽缸中冷凝成水。冷凝過程中，蒸汽體積縮小，在汽缸中形成局部真空。假設(shè)汽缸通過管子連接需要被推動的水，水就會在大氣壓力的作用下被推進(jìn)汽缸中的真空部分。薩弗里的這一設(shè)計是最早將化石燃料中的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械運動的一種可行方法。這種機(jī)械運動可應(yīng)用于多種工作。

1708年，德文郡的另一位工程師托馬斯·紐科門制造了一款改良的引擎，他的設(shè)計中融入了連接桿和其他可用于驅(qū)動機(jī)器的機(jī)械裝置。1769年，蘇格蘭發(fā)明家詹姆斯·瓦特發(fā)明了更先進(jìn)的引擎，這款引擎比紐科門發(fā)明的引擎更節(jié)能。不久后，英國出現(xiàn)了第一批大規(guī)模工廠。工廠中有很多機(jī)器用于紡織工業(yè)的紡紗和編織，這些機(jī)器的運轉(zhuǎn)依靠旋轉(zhuǎn)運動。瓦特發(fā)明的引擎使用一種基于行星式齒輪的簡單機(jī)械裝置，把產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動。因此，瓦特發(fā)明的引擎成為第一次工業(yè)革命時期工廠里的主要能量來源。截至1870年，英國使用基于瓦特設(shè)計的蒸汽機(jī)所產(chǎn)生的能量達(dá)3千兆瓦（30億瓦特），相當(dāng)于600萬匹馬產(chǎn)生的能量。1890年，蒸汽機(jī)提供的能量約占美國能源需求的80%，取代了水動力提供的能量。在19世紀(jì)50年代之前，水動力一直是主要的能量來源。