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

人們仍缺少一種可靠、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，這臺蒸汽機利用煤加熱鍋爐中的水產生的蒸汽提供動力。蒸汽進入汽缸，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汽缸中的真空部分。薩弗里的這一設計是最早將化石燃料中的能量轉換成機械運動的一種可行方法。這種機械運動可應用于多種工作。

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，他的設計中融入了連接桿和其他可用于驅動機器的機械裝置。1769年，蘇格蘭發(fā)明家詹姆斯·瓦特發(fā)明了更先進的引擎，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。工廠中有很多機器用于紡織工業(yè)的紡紗和編織，這些機器的運轉依靠旋轉運動。瓦特發(fā)明的引擎使用一種基于行星式齒輪的簡單機械裝置，把產生的能量轉換成旋轉運動。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計的蒸汽機所產生的能量達3千兆瓦（30億瓦特），相當于600萬匹馬產生的能量。1890年，蒸汽機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50年代之前，水動力一直是主要的能量來源。